Лекция 11. Снежно-ледяные гляциальные сели. Льды пресных водоемов. Морские льды.

Снежно-ледяные гляциальные сели - кратковременные бурные потоки, состоящие из воды, снега, льда и грязекаменного материа­ла. Как и дождевые сели, они характеризуются кратковременно­стью действия, внезапностью появления, большой насыщенностью твердой составляющей и разрушительными последствиями.

Средой, переносящей твердую часть селя во всех селевых пото­ках, является вода. В этом заключается существенное отличие снежно-ледяного гляциального селя от лавин и ледников. Снежно-ледяной гляциальный сель - поток смеси воды со снегом и льдом атмосферного происхождения, движущийся по руслу временных водотоков. Обязательное условие при определении селя - наличие водной составляющей, транспортирующей обломоч­ный материал, которым для снежно-ледяного гляциального селя яляется снег и лед.

Гляциальные сели наблюдаются в нивальном поясе высокогорья, в тундровой и лесотундровой зонах на равнинах. Для их возникновения требуется наличие трех условий:

1) скопление больших ко­личеств материала для твердой составляющей селя, т. е. обломков и толщ горных пород (снега, льда, морен и делювия);

2) поступле­ние воды, образовавшейся вследствие таяния сезонного снежного покрова и льда глетчеров;

3) достаточные уклоны склона и тальвегов для вовлечения водой твердой составляющей селя в общее движение;

4) специфическая морфология бассейна питания селя, благодаря которой могут возникнуть подпор вод, а затем опорожнение озер от воды, приводящее к единовременному сбросу последней и началу движения селя.

По структуре и текучести сели разделяются на два типа:

1) несвязные селевые потоки, в которых количество воды настолько больше твердой фазы, что она транспортирует твердый материал. При уменьшении скорости селя твердый материал отлагается и поток «осветляется»;

2) связные селевые потоки, в которых вода связана тонкодисперсными глинистыми и пылеватыми частицами. В таких потоках происходит совместное гравитационное движение жидкой и твердой фаз. Транспортирующая способность связных селей очень велика.

Условия возникновения селей.Твердый материал для гляциальных селей - это большие количества метелевого и лавинного снега, сконцентрированного на склонах и днищах каров, цирков и в руслах временных водотоков и оврагов, а также морена и делювий.

Селевая опасность особенно возрастает тогда, когда идет интенсивная деградация современного оледенения и исчезает тело ледников, на которое до этого опирались склоновые отложения с погребенными в них льдом и мерзлотой. Потеряв опору, эти отложения сползают в русло ледниковой реки.

На дне долины после отступания ледникового языка часто остаются перемычки мертвых льдов, которые образуют непрочные ледяные плотины, подпруживающие озера, прорыв которых вызывает выход огромных количеств воды, дающих толчок к сходу гляциальных селей.

Каждый селъ имеет три морфологических зоны:

1. Зона питания. Решающее значение для возможности возникновения гляциального селя имеет морфология зоны питания. В том случае, если она имеет форму денудационной воронки, кара или цирка, в устье эрозионного вреза в ригель кара возможно возникновение подпора вод внутри толщи снега, прорыв которой даст импульс для вовлечения снега в движение вместе с водой.

2. Транзитная зона. Это зона движения селя. От морфологии транзитной зоны зависит характер движения селя. Так, если в поперечном профиле зоны встречаются сужения русла, чередующиеся с расширениями, движение селя приобретает пульсирующий характер.

В связи с сужениями русла селя возникают заторы селевой массы и скопления обломочного материала. Прорыв таких преград обусловливает пульсационный характер движения селя. Например, при прохождении селевого потока на р. Малой Алмаатинке возникло 80 заторных валов высотой по 5-6 м. При прорыве запруд скорость движения селя превышала 6—7 м/с.

3. Зона аккумуляции. Гляциальные сели в зоне аккумуляции создают снежно-ледяные конусы нередко с грязекаменным материалом. Длительность существования таких конусов зави­сит от объема снежно-ледяных толщ, степени загрязнения поверхности мелкоземом от той природной зоны, где они возникли. В Субарктике, Арктике, а также в нивальной зоне они могут сохраняться длительное время. На их поверхности может даже возникать своеобразный термокарстовый рельеф.

Сели способны переносить на большие расстояния огромные валуны. Обломочный материал, перенесенный селями, плохо отсортиро­ван, в нем много слабоокатанных валунов и крупных глыб со шра­мами и царапинами: его вполне можно принять за морену.

Движение селевого, потока может продолжаться от нескольких минут до многих часов. Мощность селей сильно варьирует.

В настоящее время снежно-ледяные гляциальные сели обнару­жены в Заполярье. Эти сели возникают во время ин­тенсивного весеннего снеготаяния.

Защита от гляциальных селей.При разработке мероприятий по защите от гляциальных селей следует учитывать, что они зарождаются в нивальном поясе и тундровой зоне, где агролесомелиорация невозможна, так как в этих зонах отсутствует лесная растительность. В целях предупреждения селей необходимо на задернованных поверхностях альпийских и субальпийских лугов регулировать выпас скота, а на склонах, где могут быть сели в Субарктике, регулировать весеннее снеготаяние, т. е. ускорять например, его путем запыления поверхности снега.

В высокогорье рекомендуется осуществлять профилактический спуск воды моренных и приледниковых озер, грозящих сходом селей.

Инженерные меры защиты от гляциальных селей аналогичны мерам защиты от ливневых селей. Это - запруды-барражи (из камня, металла, железобетона), наносоуловители или селехранилища, селепропускные сооружения, направляющие и отбойные дамбы.

Льды пресных водоемов и наледи.По условиямобразования и структуре льды пресных водоемов относятся к типу конжеляционных льдов. Они образуются при замерзании воды в водоемах и водотоках. Процесс образование льдов заключаются в следующем: 1) процесс замерзания воды происходит при ориентирующем влиянии водной поверхности, с которой начинается кристаллизация; 2) определяющую роль играет величина и направление температурного градиента, а также интенсивность лучеиспускания воды; 3) льдообразование происходит в движущейся воде.

В процессе замерзания воды и образования конжеляционных льдов наблюдаются две стадии, отражающиеся на текстуре льдов: 1) зарождение изолированных кристаллов и возникновение первичного слоя льда; 2) формирование основной массы льда, протекаю­щее при взаимостесненном росте кристаллов.

В случае промерзания водоемов до дна или при образовании на­ледей процесс льдообразования заканчивается кристаллизацией замкнутого центрального ядра (остаточная стадия).

Различия первых двух стадий льдообразования заключаются в том, что первоначально происходит свободный рост кристаллов при условии, когда приток питательного материала превышает по­требность в нем. Во второй стадии льдообразования наблюдается вынужденный рост кристаллов при недостаточном питании.

Зарождение кристаллов льда в водной массе вызывается значи­тельным переохлаждением. Каждой степени переохлаждения соот­ветствует определенный минимальный размер кристалла, который называется критическим. Кристаллы, обладающие размерами мень­ше критического для данной температуры, не могут расти и долж­ны растворяться.

Первичные свободные кристаллы представляют собой скелет­ные кристаллы пластинчатого типа, ориентированные главной осью более или менее горизонтально. Эти кристаллы быстро разрастают­ся в тонком переохлажденном слое и на поверхности появляются длинные остроконечные ледяные иглы, которые, смерзаясь конца­ми, формируют неправильную ледяную решетку, Одновременно другие кристаллы с косой ориентировкой разрастаются в длину и ширину и приобретают звездчатую или пластинчатую форму. При уменьшении переохлаждения начинается сплошной рост кристал­лов, ледяные иглы превращаются в длинные плоские параллелепи­педы, а кристаллы, возникшие внутри ячеек ледяной решетки, вырастают в диски. Так образуется сплошная тонкая ледяная короч­ка, называемая «ледяной склянкой».

Если возникновение первичного слоя льда происходит во время снегопада или низовой метели, то центрами кристаллизации слу­жат упавшие снежники. В быстро текущей или перемешиваемой волнением водной массе вырастает множество хаотически ориенти­рованных, пластинчатых скелетных кристаллов. Они смерзаются в пористый, губчатый лед. Продолжающееся волнение на поверх­ности водоемов часто приводит к формированию округлых ледяных образований, называемых блинчатым льдом. Этот лед отличается большой насыщенностью воздухом и белесоватым оттенком.

Льдообразование на реках начинается с возникновения «заберегов». Почти одновременно на поверхности воды появляется тонкий слой ледяных кристаллов, образующих «сало». При перемешивании воды возможно возникновение кристаллов льда по всей толще воды с образованием внутриводного и донного льда. Когда этот лед начинает всплывать на поверхность, возникает «шуга».

Наледи. Наледь (по-якутски «тарын») - ледяное тело, являю­щееся продуктом послойного замерзания речных или подземных вод, излившихся на поверхность льда, земли или крупных полостей в горных породах (пещер, штолен и т. п.) вследствие естественной разгрузки подземных вод или промерзания водоносного тракта.

Наледи широко распространены в Центральной и Южной Яку­тии, на Дальнем Востоке, Забайкалье, Северо-Востоке России и за рубежом - на Аляске.

Наледи делят на три группы: 1) наледи речные или речных вод, 2) наледи грунтовых или подземных вод, 3) наледи смешанные - речных и грунтовых вод,

Наледи могут появляться в начале зимы, но особенно они ха­рактерны для конца зимы (конец февраля - начало марта). Заме­чено, что обильные атмосферные осадки второй половины лета при­водят к усилению наледей в следующую зиму. После засушливого лета обычно надледные явления проявляются меньше.

Снежный покров оказывает существенное влияние на возникно­вение и деятельность наледей. Поэтому наледные явления распространены в районах, где незна­чительная высота снежного покрова сочетается с сильными моро­зами.

Наледи создают большие затруднения при эксплуатации различных сооружений в районах многолетней мерзлоты. Наледи портят земляное полотно автомобильных и железных дорог, деформируют и разрушают мосты и трубы, а также здания. Особенно быстро возникают наледи в отапливаемых помещениях, под которыми мощность слоя мерзлоты уменьшается, и туда устремляется наледная вода. Грунтовая вода зажатая между слоем мерзлоты и слоем зимнего промерзания, находится под огромным гидростатическим давлением. При уменьшении слоя зимнего промерзания она прорывается в здание, образуя наледь.

Растительность наледей очень своеобразна и может быть использована как геоботанический признак для картирования мест, где в летнее время тело наледей исчезает, а так же для изучения динамики контуров наледей. Не меньшее значение растительность имеет при дешифрировании наледей на аэрофотоснимках. Места, покрываемые наледями, безлесны. На них растет только низкорослый угнетенный кустарник. В высокогорных долинах, где наледи имеют большую мощность и поэтому дольше не стаивают, развиты каменистые поверхности, так называемые «камешники», с разреженными кустарниками.

На юге Сибири, в Забайкалье наледи встречаются в Становом нагорье. В восточной части Станового нагорья зарегистрировано 125 наледей общей площадью 76,56 км². Встречаются крупные наледи длиною 8,4-24 км.. На Северо-Востоке России зарегистрировано около 4000 наледей, длиною от 100 м до 90-100 км, ширина их от нескольких метров до 3,5 км, а мощность от 0,5 до 10-13 м. При средней мощности наледей 2,5 м., объем заключенного в них льда составляет около 25 млрд. м³.

Суровые малоснежные зимы Аляски, короткое дождливое лето и мерзлота также способствуют возникновению наледей. Деятельный слой здесь до 1,5-2м, и он весь насыщен водой. Наблюдаются гигантские наледи в верховьях рек, стекающих с хребта Брукса.

Меры защиты от наледей.Наледи деформируют здания, разрушают дорога, нанося тем самым большой материальный ущерб. Сегодня предлагаются следующие меры борьбы с наледями: .

1. Осушение местности с помощью открытых канав, удаляющих воду, служащую причиной возникновения наледей.

2. Сооружение временных и постоянных мерзлотных поясов - неглубоких, но широких канав (3-5м), закладываемых поперек направления потока грунтовых вод и освобожденных от снега, который является теплоизоляционной толщей. Такой пояс промерзает скорее, чем окружающий грунт, так как мерзлая перемычка преграждает путь грунтовым водам, и наледи образуются у мерзлотного пояса. Весной мерзлотный пояс укрывают изолирующим слоем мха или торфа толщиной 30-40 см для летней консервации мерзлоты.

3. Устройство заграждений в виде насыпей, бревенчатых срубов, расположенных поперек потока наледной воды с таким расчетом, чтобы вся наледная вода задерживалась насыпью.

4. Расширение скальных выемок в откосах со стороны источни­ка воды, создающего наледь, с таким расчетом, чтобы наледная вода могла уходить, не распространяясь на полотно дороги.

5. Отвод наледной воды. Сооружаются утепленные термоизолирующими материалами (мох, торф, снег) канавы, которые отводят наледные воды.

6. Перенос сооружений. В особо сложных случаях, когда борь­ба с наледями указанными выше способами невозможна, следует переносить сооружения в безопасное место.

Морские льды.

Ледяной покров морей - своеобразное образование, созданное самой природой в виде упруго-пластичной анизотропной пластины, состоящей из льда и лежащей на упругом основании - на воде.

Формирование пресных кристаллов льда происходит на поверх­ности моря при условии, когда температура воды достигает точки замерзания. Чем выше соленость воды, тем ниже температура за­мерзания. Смерзание кристаллов приводит к возникновению упру­го-пластичного анизотропного слоя льда. Этот процесс сопровожда­ется вытеснением солей из кристаллической решетки льда и обра­зованием пленки рассола на поверхности кристаллов. Дальнейшее понижение температуры приводит к вымерзанию части воды и уве­личению концентрации рассола, а при повышении температуры часть пресного льда переходит в рассол, понижая его концент­рацию.

Морской лед пористый, его объемный вес (0,85 г/см³) меньше веса глетчерного льда. Морской лед менее прочен, чем пресный, но более пластичный и вязкий. Присутствие рассола предопределя­ет его быстрое таяние.

Генетическая классификация ледяного покрова морей.Ледяной покров разделяют на две группы: ледяной покров нарастания (термического происхождения) и ледяной по­кров нагромождения (динамического происхождения).

В образовании ледяного покрова группы нарастания выделяют­ся две стадии.

Первая стадия начинается с момента возникновения льда и длится до конца летнего периода. Поверхность льда первой стадии ровная. Мощность молодого льда достигает 0,2 м, годовалых льдов от 1,0 до 2,4 м, соленость от 5-8 до 15—-0%о.

Вторая стадия ледяного покрова нарастания начинается со вто­рой зимы существования льдов (характерно для арктических мо­рей). Льды могут быть годовалыми, многолетними и паковыми. Поверхность таких льдов неровная. Неровности поверхности льда - результат дифференциальной абляции. Толщина многолетних льдов в Арктике достигает 3-4,0 м. Многолетние льды распреснены до 0,01 - 2%.

Вторая группа - льды нагромождения, возникают из механически разрушенного ледяного покрова нарастанием под влиянием динамических процессов в море.

В первую стадию первичного нагромождения обломки ледяных полей и отдельные куски, нагромождаясь, образуют торосы. Возникает хаотическая неровная поверхность, возвышающаяся над поверхностью воды до 3-4 и даже 12 м. Подводная часть торосов достигает нескольких десятков метров. Весной эти льды распадаются на отдельные льдины.

Вторая стадия - смерзание. Нагроможденные льдины смерзаются, создавая монолитную, более сглаженную по сравнению с первой стадией, поверхность. Толщина льдов нагромождения 10 - 15 м и более. Такие льды крепко спаяны друг с другом и при таянии и подвижках не распадаются на отдельные, составляющие их льдины.

Важным показателем характера ледяного покрова является рельеф его верхней поверхности. Количественным показателем изменения поверхности служит коэффициент, отражающий отношение фактической длины между двумя крайними точками, расположенными на этой поверхности, к длине прямой, соединяющей эти точки.

Прочность ледяного покрова тесно связана с сезонами года. Зимой наблюдается наибольшая прочность льда у верхней поверхности. Весной прочность верхней и нижней поверхности льда выравнивается, а летом происходит уменьшение прочности льда до 5-10% по сравнению с прочностью зимнего льда. Осенью начинает увеличиваться прочность верхнего слоя.

В ледяном покрове морей выделяют два класса льдов: неподвижные и дрейфующие льды.

Льды неподвижные (припай - лед, примерзший к берегам в виде широкой полосы в десятки и сотни километров). Для припая характерны вертикальные колебания, возникающие от сгонно-нагонных и приливных явлений.

Льды дрейфующие - льды, свободно передвигающиеся под воздействием ветров и течений. Дрейфующие льды разделяются на сплошной лед, ледяные поля, обломки полей, крупнобитый лед, мелкобитый лед и ледяную кашу.

Трещиноватость льдов. Важным признаком, характеризующим несущую способность и проходимость ледяного покрова, является его трещиноватость.

При использовании ледяных полей необходимо иметь представление о характере трещин.

Встречаются открытые трещины, проходящие через всю толщу льда и сильно уменьшающие несущую способность ледяного поля, и поверхностные трещины, имеющие малую глубину и возникающие при резком охлаждении верхней поверхности льда в результате значительного похолодания воздуха или сноса ветром снега, который служил теплоизоляционным слоем, предохранявшим лед от сильного выхолаживания.

Различают следующие генетические типы трещин: 1) трещины термического происхождения, возникающие под влиянием внутренних напряжений, обусловленных разностью температур; 2) трещи­ны, вызванные колебаниями уровня; они возникают при переходе от прочно залегающего льда к льдам, испытывающим колебательные движения; 3) трещины, обусловленные тангенциальными силами, возникающими при сжатии и ветрах; 4) трещины образующиеся под воздействием искусственных нагрузок на лед при его эксплуатации.

Лед, формирующийся при низкой температуре очень быстро, обладает меньшей прочностью, чем лед, возникающий при медлен­ном замерзании. Это объясняется тем, что при быстром замерзании во льду остается большое количество рассола, понижающее его прочность.

Практическое значение изучения ледяного покрова.Изучение поведения ледяного покрова под нагрузкой с целью использования его грузоподъемности имеет огромное практическое значение.

За рубежом (США) с помощью различных материалов производится искусственное упрочение (армирование) льда. Опытные работы были проведены на военно-воздушной базе Туле (Гренландия). Они позволили сделать заключение о том, что прочность армированного испытанными материалами льда возрастает линейно по мере увеличения объема содержащегося в нем наполнителя. Наиболее дешевым материалам для армирования льда является папье-маше (пульпа) из газетной бумаги; упрочение льда с помощью древесного волокна дороже в 2 раза, асбеста - в 4 раза и тянутого стекловолокна - в 8 раз.

Особый вопрос (связанный со стратегическими целями), которым занимаются американские гляциологи, это искусственное изготовление прочных ледяных платформ из морского льда для устройства аэродромов и плавающих ледяных островов. Сущность этого метода заключается в быстром увеличении толщины природного льда. С этой целью на поверхность льда с помощью насосов подают морскую воду и намораживают слой за слоем новый лед. Для того чтобы подаваемая вода не растекалась, участок, где происходит изготовление ледяной платформы, огораживается снежными дамбами.

В Арктике и Антарктике проводятся также исследования по консервации покрытия ледовых временных и постоянных аэродромов с помощью пенистых растворов. Последние обладают малой теплопроводностью и поэтому служат хорошим теплоизолятором.

Ледяной покров является препятствием при плавании судов, он сокращает период навигации, создает угрозу различным сооружениям и судам. Поэтому разрабатываются различные методы его разрушения. Это и разрушение ледяного покрова с помощью ледоколов, т. е. судов, ломающих лед собственным весом, и взрывами, и тепловыми, и химическими методами, а также радиационным теплом (снижением альбедо).