вечная мерзлота что это
Вечная мерзлота
Вечная мерзлота в истории
Первые письменные свидетельства о существовании необычного состояния почвы, позже обозначенного как “вечная мерзлота”, остались от русских землепроходцев XVII века, покорявших Сибирь. Первооткрывателем стал казак Я. Святогоров, а члены экспедиций И. Реброва и С. Дежнёва уже изучили вопрос более детально. В своих депешах ко двору они описали особенность отдельных зон в тайге, в которых даже летом земля сохраняет зимнюю мерзлость. В 1640 г. воеводы М. Глебов и П. Головин в послании русскому царю не скрывали своего искреннего недоумения:
Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает.
Окончательно утвердились в существовании районов «вечной мерзлоты» во время начала промышленного освоения Севера. В 1828 г. проходчик Ф. Шергин прорубил первый метр ледяного грунта в Якутске, за 9 лет достигнув отметки чуть менее 116 с половиной метра и не встретив на пути ни одного водоносного горизонта. А. Миддендорф, измерив температуру на всем протяжении шахты Шеригина, подвел черту под ответ. Таким образом, невероятное стало очевидным фактом географии и геологии страны.
Вечная мерзлота полуострова Ямал на севере Западной Сибири, на территории Ямало-Ненецкого автономного округа России.
Понятие «вечная мерзлота» впервые появилось в научной среде в 1927 году. Автором термина стал советский ученый М.И. Сумгин, один из основателей отечественной науки по изучению этого явления.
Научное определение
Под вечной мерзлотой принято считать криолитозону с температурным режимом от 0°C и ниже и соответственно наличием в ней подземных льдов. По Сумгину это почвенная мерзлота с возрастом от 2 лет и выше, максимальные величины накопления измеряются тысячелетиями.
Какое-то время существовала определенная сумятица в терминологии. Значение слова «мерзлота» не имело четкого определения, что приводило к разночтениям. Такое положение подвергалось справедливой критике и поэтому предлагались другие названия. Были попытки широко распространить наименования «многолетнемёрзлые горные породы», «многолетняя криолитозона». Но в результате прижился термин Сумгина.
Срок, в течение которого образовывается мерзлое состояние пород, подразделяет их на три вида:
К отдельной категории относятся промежуточные или переходящие формы мерзлых пород. Их называют перелетками. Примером может послужить случай, когда сезонно-мерзлая порода не успевает протаять за летний период и сохраняется в течение нескольких лет.
Большая доля современной вечной мерзлоты возникла в результате воздействий последнего ледникового периода. Объемы льда в промерзлых породах могут составлять до 90 процентов. В наши дни наблюдается процесс их медленного таяния.
Особенности мерзлых почв
Низкие температуры в условиях мерзлоты, носящей длительный сезонный или постоянный характер, естественно накладывают свой отпечаток на состояние местной почвы. В ней протекают своеобразные химико-биологические процессы. Один из примеров изображен на фото слева.
Над мёрзлым водоупорным слоем в процессе коагуляции (сгущения) органических веществ накапливается гумус. Причем его над-мерзлотная регенерация или так называемое над-мерзлотное оглеение сильно не зависят от милостей природы. Чтобы процесс пошел, достаточно небольшого количества годовых осадков.
Образуемые в земле шлиры (ледяные слои), разрывая водоносные капилляры, перекрывают доступ влаги из верхних над-мерзлотных горизонтов к нижней корнеобитаемой среде. Все явления, происходящие в почве в условиях вечной мерзлоты, особенно характерны для тундровой зоны. В результате происходящих из-за наличия мерзлого слоя механических изменений в почве тундра приобрела свой особенный вид. Криогенные деформации в виде криотурбации (перемешивания под влиянием разницы температур почвенной массы) и солифлюкации (сползание почвенной массы, насыщенной водой, со склонов по мёрзлому слою) придали рельефу тундры волнообразные очертания, когда вспученные бугры чередуются с провалами термокарстовых западин. По той же причине образовались пятнистые тундры.
Минусовые температуры влияют и на оструктурирование почвы, вызывая ее криогенный характер. Они заставляют продукты почвообразования переходить в более конденсированные состояния, при этом резко замедляя их подвижность. В результате мерзлотной коагуляции коллоидов происходит ожелезнение почв. По мнению некоторых исследователей криогенные явления также обогащают кремнекислотой среднюю часть профиля подзолистых почв. Эти ученые считают белесую присыпку результатом мерзлотной дифференциации плазмы почвы.
Ареалы распространения
Вечная мерзлота имеет глобальные масштабы распространения. Она захватила не менее ¼ части суши земли, в том числе высокогорные районы Африки. Австралия является единственным материком, где это явление отсутствует вообще.
Обширные просторы России представляют собой средоточие вечной мерзлоты. Более половины территории самой большой страны мира приходится на криотозону. Наиболее широкое распространение она получила в Забайкалье и Восточной Сибири, где в верхней части реки Вилюй на глубине 1370 метров залегает нижайшая точка вечной мерзлоты. Рекорд зафиксирован в 1982 году.
Экономическое влияние
Учёт вечной мерзлоты важен для проведения строительства, геологоразведки и других хозяйственных работ в районах Севера. Она может, как создавать проблемы, так и приносить пользу. Способность служить естественным природным холодильником для хранения продуктов лежит на поверхности. Кроме этого, в условиях вечной мерзлоты вероятны образования залежей гидратов газов, используемых человеком, в частности метана.
Высокая прочность промёрзших пород сильно затрудняет добычу ископаемых. Но в то же время имеется другая, сильная, сторона: мерзлота цементирует породы, что позволяло в карьерах Якутии успешно проводить разработку кимберлитовых трубок, доводя стенки чаш до отвесного состояния. Ярким свидетельством последнего служит пример якутского карьера Трубка Удачная.
Игарский музей вечной мерзлоты – явление уникальное, и не только потому, что основные его экспозиционные залы находятся в толще вечно мёрзлого грунта, но и потому, что главный экспонат музея – сама вечная мерзлота.
Музей вечной мерзлоты в Игарке
С первых лет строительства города ученые вели её исследования, мерзлотная станция была открыта в 1931 году. Попутно же вынашивалась идея демонстрации населению результатов бережного отношения к природе. Эта идея принадлежала посетившему научную станцию в 1938 году учёному-мерзлотоведу Михаилу Ивановичу Сумгину. К тому времени были вырыты шахтные колодцы и встречные штреки к ним. За год до начала Великой Отечественной войны путём выемки грунта было оборудовано пять камер, отделённых от коридора перегородками и дверьми. Их стены, как и коридор, были облицованы тонким слоем льда. Объём вынутого грунта составил 468 кубических метров.
Построенные помещения имели научно-исследовательское значение, но тем не менее, для желающих, в первую очередь школьников и гостей города, уже тогда проводились сотрудниками станции первые экскурсии. Так одна из камер по сути уже тогда начала использоваться как биомузей. Его экспонатами стали замороженные ящерицы, ерши, находящаяся в анабиозе бабочка бражник, насекомые: шмели, божья коровка и муха. Учёные пополняли биомузей по мере своих возможностей и принимали посетителей.
Что такое многолетняя (вечная) мерзлота?
Не менее четверти всей суши на нашей планете занимает вечная мерзлота – слой грунта, который в течение многих лет сохраняет отрицательную температуру, не оттаивая в теплое время года.
В научном сообществе в настоящее время принято называть вечную мерзлоту многолетней криолитозоной либо многолетней мерзлотой, так как на самом деле промерзший слой существует не «вечно», а в течение определенного промежутка времени.
Где можно встретить многолетнюю мерзлоту?
Вечная мерзлота – явление, характерное для полярных и приполярных районов, которое наблюдается на территории, прилегающей к обоим полюсам – и Северному, и Южному. Помимо того, мерзлота встречается и в других регионах планеты, в том числе в экваториальных, но только в высокогорных районах, на вершинах, увенчанных снеговыми шапками.
Единственным материком, где вечной мерзлоты нет, является Австралия, которая достаточно удалена от Южного полюса и не обладает высокими горными массивами. Сплошные массивы вечной мерзлоты располагаются в северной части Евразийского континента, на территории севера Канады, Аляски, не менее чем на половине площади Гренландии, а также на всей территории Антарктиды.
Толщина промерзшего слоя колеблется от 30 сантиметров до более чем километра. Наибольшая зафиксированная глубина многолетней мерзлоты обнаружена в верховьях сибирской реки Вилюй, протекающей на территории Якутии, и составляет 1370 метров. В России вечная мерзлота занимает почти две трети общей территории (65%), или 11 миллионов квадратных километров.
Многие территории заняты сплошной мерзлотой, которая носит многолетний характер – это северо-восток Сибири, острова Арктики, Новая Земля и т.д. Территории, расположенные немного южнее, характеризуются так называемой островной мерзлотой, где промерзший слой невелик и может залегать не сплошным слоем, а отдельными пятнами, а температура толщи грунта колеблется от –6 градусов до нуля.
Как проявляется вечная мерзлота?
В северных районах, где грунт скован вечной мерзлотой, даже летом оттаивает только тонкий слой, не более 5-10 сантиметров. Вода, которая образуется после таяния зимних снегов, не может полностью впитаться в почву, поэтому верхний слой летом представляет собой полужидкую грязь.
Если оттаявшая почва расположена на склоне, то грязевой «язык» под действием силы тяжести нередко сползает по нему в низину. Рельеф тундры во многих местах изобилует такими следами грязевых оползней.
С окончанием лета ландшафт может измениться до неузнаваемости. Талая вода, заполнявшая трещины в скальных породах, замерзает (при этом ее объем увеличивается примерно на 10%) и разрывает породу. Это вызывает либо вспучивание, либо сдвиг грунта. Внешне такое место выглядит как холм в форме купола высотой около 30-50 метров, вершина которого расколота на несколько частей либо раскрошена.
Местные жители называют эти холмы словом «пинго». Их можно встретить не только в Сибири, но и в Канаде и Гренландии. На вершинах пинго нередко образуются небольшие кратеры, которые летом превращаются в неглубокие озерца.
Мерзлота и деятельность человека
Для освоения северных районов знание особенностей многолетней мерзлоты представляет чрезвычайную важность. Учитывать свойства мерзлоты необходимо при постройке зданий и сооружений, проведении геологоразведки, при добыче полезных ископаемых и их транспортировке в более благоприятные регионы страны. Бесконтрольное таяние мерзлоты может доставить немало проблем, и при проведении работ такой возможности необходимо всячески избегать.
В то же время промерзший, лишенный подвижности грунт очень удобен при разработке месторождений открытым, карьерным способом. Так как стенки карьера скованы мерзлотой и не осыпаются, работы ведутся значительно более эффективно, чем в обычных условиях.
В последнее десятилетие площадь, занимаемая вечной мерзлотой, начала сокращаться. Промерзшие слои медленно отступают к северу, так как общая температура на планете растет под влиянием процессов глобального потепления. Не исключено, что через 50-100 лет районы, освобожденные от мерзлоты, смогут стать новой житницей России.
Вечная мерзлота
В условиях вечной мерзлоты здания возможно строить только на сваях — именно так построены высотные дома в Норильске и Игарке.
Вечная мерзлота — часть верхнего слоя земной коры, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Это длительное (от нескольких лет до многих тысячелетий) промерзание почвы и горных пород. Ее толщина может составлять от нескольких метров до сотен.
Образовалась вечная мерзлота в ледниковый период — в тех местах, где вследствие морозного климата промерз грунт. В настоящее время площадь вечной мерзлоты составляет приблизительно 25 % от территории всей суши на планете. Большая часть вечной мерзлоты расположена в Сибири и на севере Северной Америки.
В России вечная мерзлота занимает 60 % от всей территории страны: скованные льдом горные породы развиты на севере Европейской России, на Урале, севере Западной Сибири, на большей части Восточной Сибири, в Забайкалье и на Дальнем Востоке. Южная граница распространения сплошной вечной мерзлоты проходит в Средней Сибири 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 реки Мархи (Якутия) — даже 1 500 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.
Вечная мерзлота осложняет хозяйственное освоение территории. Особенно много затруднений возникает при гражданском и дорожном строительстве. 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 — именно таким образом в Красноярском крае построены дома в городах Норильск и Игарка.
Вечная мерзлота — источник огромного количества древнего генетического материала. В слоях земли, которые не тают многие тысячи лет, безраздельно царит сухой холод, обеспечивающий условия для консервации животных, семян, плодов или бактерий. Так, например, летом 2012 г. на мысе Сопочная Карга в Красноярском крае ученые обнаружили тушу мамонта, погибшего более 30 тыс. лет назад, которая помогла ученым подтвердить гипотезу о существовании у мамонтов горба с жировыми запасами. Ранее же сотрудниками лаборатории криоконсервации генетических ресурсов Института биофизики клетки РАН и лаборатории криологии почв Института и биологических проблем почвоведения РАН удалось извлечь семена и плоды растений, насчитывающие более 30 тыс. лет. Семена Silene stenophylla хранились в вечной мерзлоте все это время, и теперь, после воспроизведения этого растения, оно является самым древним живым организмом на планете.
В Красноярском крае, в городе Игарке есть музей вечной мерзлоты — единственный в мире музейный комплекс, обладающий уникальным подземельем в толще вечномерзлого грунта. В подземной части музея, глубина которого составляет 14 м, на срезах стен можно увидеть образцы различных растений, льдов и остатки реликтовых деревьев, возраст которых составляет около 36 000 лет.
Источники
© 2015, По заказу Агентства печати и массовых коммуникаций Красноярского края
Многолетняя мерзлота
Что такое многолетняя мерзлота
Горные породы, находящиеся в верхнем слое земной коры, могут промерзать достаточно большое количество времени, десятки, а то и сотни лет. Такое явление в научном мире принято называть многолетней мерзлотой. Подземные льды круглый год сохраняют нулевую или отрицательную температуру.
Причины образования многолетней мерзлоты
Основная версия о причинах возникновения многолетней мерзлоты связана с четвертичным оледенением. Так почему же одни участки земли остались без последствий оледенения, а другие остаются в промерзшем состоянии до сих пор? Ученые дают следующее объяснение. Дело в том, что в тех областях, где выпадало достаточно большое количество осадков, было покровное оледенение. Земля была покрыта толстым слоем льда, который не давал грунту промерзать. Лед был своеобразной защитой. А там, где этой защиты не было, вследствие малого количества осадков, грунт промерз очень сильно.
Особенности многолетней мерзлоты
Одной из особенностей многолетней мерзлоты можно считать то, что распространение ее неравномерно, и можно выделить три разновидности.
Интересны также формы льда, цементирующего горные породы: линзы, жилы, пятна, клинья, пласты.
Причины сохранения многолетней мерзлоты
Можно назвать комплекс факторов, способствующих сохранению многолетней мерзлоты.
Регионы распространения многолетней мерзлоты
Северная Америка также сохранила это реликтовое явление. Многолетнюю мерзлоту здесь можно встретить в бассейне рек Мекензи, Юкон, также на полуострове Лабрадор.
Многолетняя мерзлота в России
В разных частях России многолетнемерзлые грунты не однородны, да это и понятно, ведь климат хоть и незначительно, но различается. Так, например, единый замороженный монолит можно увидеть на Севере Сибири, а в районе Кольского полуострова он достигает нескольких десятков метров.
Как уже упоминалось ранее, вечная мерзлота распространена зонами. Зона сплошного распространения самая обширная. Начинается она на островах Северного Ледовитого океана в европейской части, затем спускается к югу и к востоку азиатской части России. Это самая северная часть страны, в частности это северо-восточная часть западносибирской равнины, большая часть среднесибирского плоскогорья и северо-восточная Сибирь.
Вечная мерзлота накладывает отпечаток на ландшафт, лед значительно деформирует поверхность, создавая особые микрорельефы. При очень сильных морозах грунт покрывается трещинами, в которые попадает вода. Вода замерзает, образуя своеобразные решетчатые полигоны.
Еще одно интересное явление – это гидролокколиты, или бугры вспучивания. Образуют их линзы льда, залегающие на глубине и приподнимающие грунт, находящийся над ними. Гидролокколиты могут достигать сорока метров, такие бугры вспучивания распространены в центральной Якутии.
На склонах Буранга и плато Плуторана распространены каменные осыпи. Из-за чередования промерзания и оттаивания, они начинают перемещаться вниз по склону гор. Такое явление называют солифлюкацией.
Зона прерывистого распространения многолетней мерзлоты расположена южнее предыдущей зоны. Очевидно, что лед в этой местности не залегает сплошным пластом, а располагается участками. Оттаявший грунт образует воронку, которую называют термокарстовой. Часто в таких воронках образуются озера, но вода из них может уйти в ближайшую реку, а водоем превращается в болото.
На территории Прибайкалья и юге Забайкалья преобладает зона островной многолетней мерзлоты. Для этой зоны характерны те же самые особенности микрорельефа, но встречаются они значительно реже.
Оттаивание многолетней мерзлоты
Оттаивание многолетней мерзлоты не сулит человечеству ничего хорошего. Это и глобальное потепление, и огромные воронки в земной коре, образующиеся в следствие просадки грунта и формировании подземных полостей. Дело в том, что земная поверхность проседает от того, что мерзлый грунт начинает протаивать, появляются провалы, которые постепенно заполняются водой.
Оттаивание многолетней мерзлоты в России
Чем опасно оттаивание мерзлого грунта? Во-первых, это грозит образованием гигантских провалов, таких как Батагайский кратер в Якутии. Размеры его пугают не только обывателей, но даже ученые относятся к этому явлению настороженно. Такой провал в результате оттаивания вечной мерзлоты может случиться в любом месте и в любое время.
Ухудшения состояние мерзлого грунта вредит не только природе, но и отражается на человеке. Например, в течение последних десяти лет в Норильске подверглись разрушению более 250 многоэтажных домов. Получается, что с одной стороны человечеством был сделан огромный шаг в сторону освоения многолетней мерзлоты. Люди стали жить, работать, учиться в таких условиях, в которых, казалось бы, жить невозможно. А с другой стороны, вмешательство в природу привело к деградации мерзлого грунта, что пошатнуло природный баланс. Спустя десятилетия человечество вынуждено наблюдать, что научные достижения рушатся как карточный домик.
Влияние человека на многолетнюю мерзлоту
К большому сожалению, влияние технических достижений человечества на многолетнюю мерзлоту только пагубное. Здесь и загрязнение окружающей среды, и последствия строительства различных сооружений. Получается, что любое вмешательство человека в природу, нарушает хрупкий баланс и приводит к деградации мерзлых пород.
Влияние многолетней мерзлоты на хозяйственную деятельность человека
Освоение регионов с многолетней мерзлотой началось в тридцатых годах 20 столетия. Ряд трудностей, возникающий при работе в этих регионах, подтолкнул ученых к созданию особых способов ведения хозяйственной деятельности.
Например, строителям пришлось пересмотреть основные правила возведения сооружений, таких как жилые дома, мосты, теплотрассы, дороги. При постройке и эксплуатации жилых домов приходится учитывать тот факт, что при определенных условиях грунт начинает оттаивать, дома проседать и трескаться. Земляные работы очень трудоемки, требуют больших энергетических затрат, это тоже приходится учитывать.
Из-за многолетней мерзлоты очень остро стоит вопрос водоснабжения и обеспечения теплом жилых домов.
Земледелие затруднено из-за заболоченности почвы. Прежде чем приступить к обработке земли и непосредственно к посевам, приходится проводить работы по удалению лишней влаги из грунта.
Хозяйственная деятельность на многолетней мерзлоте
К основным видам хозяйственной деятельности в условиях многолетней мерзлоты можно считать оленеводство, пушной промысел, рыболовство, чуть менее распространено коневодство. Равнинная и горная тундра – это отличные пастбища для оленей, а для крупного рогатого скота подходят луга в долинах рек. Это отличная кормовая база.
С точки зрения добычи природных ископаемых, это своеобразная кладовая природы. Здесь присутствуют уголь, алмазы, газ, никель, золото, медь, олово. К тому же добыча упрощается тем, что мерзлота является прекрасным крепежным материалом при организации шахт.
Вечная мерзлота используется людьми как природный холодильник. В ней сохраняются ягоды, рыба, мясо, фрукты.
Земледелие на вечномерзлом грунте затруднительно, но возможно, оно несет с собой массу трудностей. Распаханная земля более темная, она притягивает тепло, грунт оттаивает, местность покрывается болотами, которые приходится осушать. Но люди постепенно осваивают земли Восточной Сибири, хотя грунт никогда не прогревается, корневая система растений слабая, но при этом людям удается выращивать некоторые овощи и даже овес. С точки зрения плодородия тоже не все гладко. Из-за низких температур почвенный покров образуется очень медленно, гумус практически отсутствует.
Строительство в условиях многолетней мерзлоты
По мнению ведущих архитекторов, строительство возможно при любых климатических условиях, важно лишь учесть особенности грунта и погодных условий. При строительстве в условиях вечной мерзлоты важно соблюсти следующие принципы.
Так как же сохранить целостность вечномерзлого грунта? Можно возводить постройку на подсыпках, используя теплоизоляцию поверхности и грунта. Эффективны также вентилируемые подполья и не отапливаемые первые этажи, сооружение установок для искусственного охлаждения грунтов, свайные фундаменты.
При возведении монолитных сооружений, и при укладке фундамента, используют особые способы работы с бетоном. Также разработали состав бетонных смесей таким образом, что они эффективно застывают и сохраняют свою целостность долгое время в условиях вечной мерзлоты.
Но даже при соблюдении всех технологий строительства зданий, трубопроводов, аэродромов, плотин, дорог, промышленных сооружений приводит к тому, что грунт все же начинает оттаивать. Земля в местах неравномерного оттаивания проседает, постройки рушатся, предотвратить это достаточно сложно. Тем не менее, начиная с тридцатых годов, были возведены такие города как Якутск, Норильск, Мирный.
Заключение
Многолетняя мерзлота – уникальное явление на земле, хотя она так же естественна как пустыни, джунгли или степи, только менее изучена. Исследования в области мерзлотоведения очень необходимы, и они ведутся по сей день. Новые технологии позволяют более детально изучать мерзлый грунт, открывая его новые особенности. И если в начале двадцатого столетия основной целью изучения было эффективное освоения, то сейчас одно из направлений изучения – это предотвращение деградации многолетней мерзлоты. Десятилетия используя природу исключительно для своего обогащения, человечество, наконец-то, пришло к выводу, что сохранение природы гораздо более выгодно и безопасно.