РАСПРОСТРАНЕНИЕ И СТРОЕНИЕ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
В странах с отрицательными зимними температурами зимой грунт промерзает. Это явление называется сезонной мерзлотой. Однако на Земле на огромной площади (около 25% всей суши) существует и так называемая вечная мерзлота. В районах вечной мерзлоты промерзший грунт никогда при современных климатических условиях не оттаивает. Самые большие площади, занятые вечной мерзлотой, располагаются в Канаде и в СССР. В Советском Союзе она распространена почти на 50% территории.
Мощность промерзшего слоя колеблется от нескольких метров до сотен метров, достигая местами 1000 м (например, в Якутии).
В летнее время самые верхние горизонты вечномерзлой толщи оттаивают, зимой снова замерзают. Неоднократный переход воды из одного фазового состояния в другое сообщает неустойчивость, подвижность поверхностной толще. В результате возникают различные формы движения грунта и различные формы рельефа, свойственные только областям вечной мерзлоты. Слой сезонного промерзания и оттаивания, мощность которого изменяется от 1 до 4м, получил название деятельного слоя. Ниже его залегает собственно вечномерзлый слой. Слои отличаются друг от друга в летнее время, зимой они не имеют четко выраженной границы.
Лед в мерзлом грунте присутствует в различных формах: в форме ледяного цемента (замерзшие поровые и капиллярные воды), ледяных включений и крупных ледяных тел — линз или жил. По условиям образования вечномерзлые грунты могут быть сингенетическими и эпигенетическими. Сингенетические мерзлые грунты образуются одновременно с осадконакоплением. Эпигенетическими мерзлыми грунтами называются такие отложения, которые промерзли уже после накопления.
Для различных мерзлотных рельефообразующих процессов важное значение имеют подземные или грунтовые воды, которые подразделяются на надмерзлотные, циркулирующие в деятельном слое, межмерзлотные, образующие внутри вечной мерзлоты линзы или зоны оттаивания (так называемые «талики»), и подмерзлотные, расположенные ниже нижней границы мерзлоты. Наибольшее разнообразие деформаций мерзлых грунтов и соответствующих форм рельефа связано с деятельностью надмерзлотных вод.
МЕРЗЛОТНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И МЕРЗЛОТНЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА
Наиболее распространенный тип деформации мерзлых грунтов—пучение, связанное с увеличением объема грунта в результате перехода воды из жидкой фазы в твердую. Возникающие при этом положительные формы рельефа называются буграми пучения. Высота их обычно не более 2,0 м. Часто в вершинной части они разбиты радиальными морозобойными трещинами. Если бугры пучения образовались в пределах торфянистой тундры, возникают условия, благоприятствующие нарастанию торфа, и ледяные или мерзлые ядра таких бугров, а вместе с ними и сами бугры, получившие название торфяных, могут существовать долгое время. Торфяные бугры образуют группы, но встречаются и одиночные бугры. Высота их от 3 до 7м, форма различная, но чаще округлая, склоны и вершины обычно изрезаны трещинами. Торфяные бугры часто отделены друг от друга извилистыми болотистыми каналами.
При подтоке к месту пучения межмерзлотных или подмерзлотных вод образуются очень крупные бугры с ледяным ядром. Из трещин в торфяном покрове бугров в летнее время вытекает вода. Такие бугры нередко называют гидролакколитами. Высота гидролакколитов до 70 м, диаметр основания до 200 м. В СССР для обозначения таких бугров распространен термин «булгуннях». Булгунняхам тождественны пинго, встречающиеся на Аляске.
Если подземные воды (межмерзлотные или подмерзлотные) находят выход на поверхность, они образуют особые ледяные формы рельефа — наледи. Наледи часто образуются и в речных долинах при промерзании рек до дна. Такие наледи называют тарынами. Крупные наледи сохраняются в течение большей части лета. Геоморфологическое значение их заключается в том, что в районе наледей особенно энергично протекает морозное выветривание пород, слагающих склоны долины, таяние наледей ведет к интенсивной солифлюкции грунта.
Для микро- и мезорельефа областей с вечной мерзлотой характерны так называемые структурные грунты—формы рельефа, возникающие в результате сортировки неоднородной грунтовой массы, насыщенной водой, при многократном ее замерзании и оттаивании. Среди них различают: каменные многоугольники, каменные кольца, каменные полосы (рис. 87). Наиболее часто встречаются каменные многоугольники—слегка выпуклые участки (пятна) вязкого мелкозема, окруженные валиками камней. Если каменные валики соседних пятен не касаются друг друга, образуются каменные кольца. Поперечник каменных колец и многоугольников в полярных тундрах колеблется чаще всего от 1 до 2м, в гольцовом поясе гор — от 0,25 до 0,5 м. Ширина каменного бордюра 30—50 см.
Сортировка материала при образовании каменных колец и многоугольников происходит путем вымораживания более крупных обломков и смещения их к краям пятен, состоящих из мелкозема.
На наклонных поверхностях под влиянием солифлюкции каменные многоугольники приобретают продолговатую форму, вытягиваясь сверху вниз по склону в виде фестонов, при более крутом падении они превращаются в каменные полосы, чередующиеся с полосами из мелкозема. Ширина полос может варьировать в значительных пределах — от 5 см до 5м.
При попеременном замерзании и оттаивании однородных глинистых грунтов в тундре часто образуются пятна—медальоны. Это «голые» (лишенные растительности) глинистые пятна округлой или неправильной формы, величина которых колеблется от 0,5 м до нескольких метров в диаметре, рассеянные во множестве по покрытой растительностью поверхности тундры. Поверхность пятен плоская или возвышается над задернованными участками на 5—20 см. Тундру с таким рельефом образно называют пятнистой или медальонной. Возникновение пятен связывают с прорывом по трещинам на поверхность жидких глинистых грунтов, зажатых между двумя мерзлыми, постепенно сближающимися слоями мерзлоты — сезонной и многолетней. Таким образом, пятна-медальоны — это нечто вроде миниатюрных грязевых вулканчиков.
В полярных странах встречаются и другие типы структурных грунтов, в том числе полигональные. Это формы микрорельефа, представляющие собой правильные многоугольники (чаще всего пяти- и шестиугольники) диаметром до нескольких метров, разделенные трещинами. Образование полигональных грунтов связано с возникновением морозобойных трещин в условиях однородного мелкоземистого грунта. Сдавливаемая со всех сторон масса мелкоземистого грунта внутри полигона формирует слегка выпуклую поверхность. Морозобойным трещинам соответствуют понижения в рельефе. Такие формы возникают в том случае, если трещины не проникают глубже сезоннопромерзающего .слоя грунта.
Если морозобойные трещины проникают глубже, в них образуются ледяные клинья, не успевающие растаять за теплый сезон года. С течением времени они растут (и в глубину, и в ширину), разбивая мерзлую породу на отдельные блоки. Если вмещающая растущие клинья порода достаточно пластична, она выжимается в стороны и вверх по контакту с ледяными клиньями, образуя валики. Так возникают валиковые вогнутые полигоны. Высота валиков колеблется от 0,2 до 0,75 м, ширина трещин, разделяющих блоки, достигает 1,0 м, а поперечник полигонов—25 – 30 м. На рыхлых грунтах ровных поверхностей пойм, речных и морских террас наблюдаются и более крупные формы подобного типа — так называемые тетрагональные грунты. Валообразные гребни у них достигают 2,0 м высоты, а поперечник ровных площадок полигонов—100—200 м. А. И. Попов наблюдал в Западно-Сибирской низменности и Большеземельской тундре тетрагональные блоки, размеры которых достигали 300, 500 и даже 1000 м в поперечнике. Это уже формы не микро-, а мезорельефа.
Рассмотренные формы рельефа областей с вечномерзлыми грунтами связаны с накоплением льда или обломочного материала и их поэтому можно рассматривать как аккумулятивные формы мерзлотного рельефа. Реликты таких образований встречаются в перигляциальных зонах областей бывшего наземного оледенения, в том числе и в ископаемом состоянии в разрезах, в виде так называемых криотурбаций.
Денудационные формы мерзлотного рельефа связаны с таянием льда, с деградацией вечной мерзлоты. При этом образуются разнообразные просадочные формы. Величина термокарстовых форм варьирует в больших пределах: от нескольких метров до многих десятков километров в поперечнике и от долей метра до десятков метров глубины. Термокарстовые процессы в областях распространения вечной мерзлоты в ряде случаев развиваются под влиянием деятельности человека: после рубки леса, под пашней, при рытье канав, на участках лесных пожаров и т. д. Типичные карстовые формы в условиях вечной мерзлоты редки, а на равнинах с маломощным деятельным слоем—отсутствуют. С оттаиванием мерзлоты связаны термоабразионные и термоэрозионные формы.
Термоабразией называется термическое воздействие морского волнения на берега, сложенные вечномерзлыми грунтами. При этом у линии берега вырабатывается ниша вытаивания. По мере углубления ниши нависающий над ней карниз обрушивается, формируется термоабразионный клиф. Термическая абразия всегда сопровождается солифлюкционными процессами.
Термоэрозионные формы — это ложбины, овраги, долины, возникающие благодаря не только механическому и химическому, но и термическому воздействию поверхностных водных потоков на дно и берега, сложенные мерзлыми грунтами. Следует отметить, что в условиях вечной мерзлоты такие эрозионные формы, как рытвины и овраги, растут очень быстро. Эрозионные формы часто закладываются вдоль термокарстовых понижений или по трещинам полигональных грунтов. В последнем случае образуются, весьма специфичные формы рельефа—байджарахи—останцы мерзлого грунта, слагавшего ядро (блок) мерзлотного полигона. Размеры байджарахов от одного до многих метров по высоте и от 3 до нескольких десятков метров в диаметре основания.
Своеобразны и реки областей с вечномерзлыми грунтами. Летом они многоводны. Многоводность их обусловлена таянием мерзлых грунтов, с одной стороны, и отсутствием фильтрации воды в грунт, с другой (препятствует мерзлота). Благодаря многоводности реки обладают большой живой силой, поэтому они интенсивно расширяют свою долину. Этому способствует и термическое воздействие воды на мерзлые грунты, слагающие берега. Блуждание рек и связанное с ним расширение долин вызывается также накоплением осадков выше участков, промерзающих до дна.
Быстрое расширение долин приводит к тому, что поймы рек перестают заливаться даже в высокие паводки и превращаются в невысокие надпойменные террасы. На участках широтного течения рек четко выражена асимметрия склонов долин, обусловленная экспозицией: склоновые процессы на склонах северной и южной экспозиции происходят с разной интенсивностью.
Широко распространены в областях с вечномерзлыми грунтами солифлюкционные процессы, альтипланация и создаваемые ими формы рельефа.
Таким образом, области распространения вечной мерзлоты отличаются своеобразием и большим разнообразием форм микро- и мезорельефа, пространственное соотношение которых представлено на идеализированной схеме.