Лёд и Снег • 2015 • № 1 (129)
Подземные льды и наледи
УДК 551.328:551.324 doi: 10.15356/IS.2015.01.07
Подземные льды и гидротермическое движение грунтов на наледных участках
речных долин © 2015 г. В.Р. Алексеев
Институт мерзлотоведения имени П.И. Мельникова СО РАН, Якутск;
Институт географии имени В.Б. Сочавы СО РАН, Иркутск Snow@irk.ru
Ground ice and hydrothermal ground motions on aufeis plots of river valleys
V.R. Alekseev
Melnikov Institute of Permafrost, Yakutsk, and Sochava Institute of Geography, Irkutsk, Siberian Branch of RAS
Статья принята к печати 15 сентября 2014 г.
Бугры пучения, криогенное движение грунтов, криогенные явления, наледи, наледные процессы, подземный лёд, термокарст.
Cryogenic phenomena, hydrothermal ground movement, aufeis processes, aufeises (icings), pingo, thermokarst, ground ice.
Излияние и намораживание подземных вод в долинах рек криолитозоны создаёт специфические условия тепло- и массообмена, в результате чего формируется система наледных ледогрунтовых комплексов. Ежегодное формирование и разрушение наледного и подземного льда сопровождается особо опасными геодинамическими явлениями, среди которых ведущее место занимает гидротермическое движение грунтов - пучение, термокарст и термоэрозия. В наледных долинах происходит быстрое, часто неожиданное переформирование каналов стока, резкое поднятие и опускание земной поверхности, разуплотнение и «перетряхивание» сезонно-протаивающих и сезонно-промерзающих горных пород. Показано, что наледные участки речных долин - самые «горячие» точки области распространения вечной мерзлоты. Сформулированы задачи дальнейших исследований.
A specific system of aufeis ice-ground complexes is regularly formed in river valleys of the cryolithic zone as a result of the ground water outpouring and freezing. Early formation and destruction of aufeis and ground ices is followed by hydrothermal motions of grounds which are the ice heaving, thermokarst, and thermal erosion. The aufeis plots of river valleys are shown to be the most "hot" points of the permafrost zone.
Введение
Участки формирования крупных наледей-тарынов резко выделяются на фоне окружающей местности. Зимой, даже в самые жгучие морозы здесь «парит» излившаяся из земных недр вода или на многие километры расстилается ледяная гладь, а летом удивляет ослепительно белый ледяной покров среди зелени лугов и лесов. Наледи и наледные ландшафты всегда привлекали внимание учёных, путешественников и иных любителей природы своим «необычным» видом, загадками и парадоксами. Но лишь в последние 50—60 лет была приоткрыта завеса их происхождения, объяснены некогда таинственные явления, например, взрывы бугров пучения, миграция и распад ледяных полей, питание и многолетняя изменчивость наледеобра-зующих источников и др.
В процессе многолетних исследований установлено, что наледи подземных вод — своеобразные индикаторы теплового состояния крио-
литозоны, мощный регулятор поверхностного и подземного стока, могучий фактор преобразования микроклимата, состава и строения рыхлых отложений, конфигурации речной сети и криогенных ландшафтов [1—4, 7, 22, 23, 28, 30, 36, 40]. Однако многие аспекты наледеведения не изучены. К ним относятся процессы теплового взаимодействия ледяных массивов и подстилающих горных пород, особенности формирования подземных льдов, закономерности развития ряда опасных геодинамических процессов — пучения грунтов, термоэрозии, термокарста, суффозии и др. Настоящая работа частично восполняет этот пробел.
В основу статьи положены материалы многолетних наблюдений на специальных наледных полигонах, организованных в конце ХХ в. в Северном Забайкалье и в горах Восточного Саяна [3]. При анализе полученных материалов и подготовке статьи использованы также данные полевых наблюдений автора в Южной Якутии, Амурской
области, Забайкалье и Прибайкалье, а также опубликованные сведения по другим районам крио-литозоны [6, 10-12, 14, 21, 24, 33-35, 39, 40].
Особенности подземного льдообразования на наледных участках речных долин
Наледи и наледные процессы значительно влияют на интенсивность сезонного промерзания и протаивания горных пород, на их температурный режим и фазовые переходы воды в толще грунтов. В одних случаях они активизируют подземное льдообразование, в результате чего увеличиваются запасы подповерхностных льдов, а в других способствуют уменьшению их массы и глубины залегания. В некоторых местах происходит захоронение ледяных массивов, которые по своему генезису относятся к наледям или снежникам, а по условиям залегания и положению относительно дневной поверхности - к подземным льдам. Формирование наледей создаёт специфические условия подземного льдообразования, отличные от условий смежных участков речных долин [3, 6, 18, 19, 39]. Зимой кривая вертикального распределения температур здесь существенно деформируется из-за выделения тепла наледным слоем воды, при этом образуется своеобразный термоклин (рис. 1). Деформация температурной кривой, постепенно уменьшаясь в размерах, смещается вниз по разрезу и обычно затухает на границе мёрзлых и талых пород. Величина отклонения температуры от «нормального» положения определяется теплозапасом наледеобразующих вод. Число случаев появления термоклина соответствует количеству излияния воды, которое маркируется общим числом элементарных слоёв наледного льда в рассматриваемой точке разреза.
Спустя некоторое время после появления воды на льду в результате «погружения» тепловой волны и теплопотока мёрзлый грунт частично оттаивает снизу. Фазовый переход воды создаёт у подошвы мёрзлого слоя вакуум, который вызывает подсос грунтовой влаги из нижележащих горизонтов и сбоку. После промерзания слоя воды на льду кривая распределения температуры выравнивается и термоклин исчезает. В это время формируется горизонтальный шлир подземного льда и происходит дальнейшее промерзание подстилающей увлажнённой массы горных пород. Такие
циклы гетерогенного льдообразования многократно повторяются (см. рис. 1). В итоге, с одной стороны, увеличивается мощность льда на поверхности земли, а с другой - нарастает толща мёрзлых грунтов с ярко выраженной слоистой криогенной текстурой.
Многочисленные наблюдения на полигоне «Чарские Пески» показали, что образующиеся таким образом пачки ледяных шлиров почти всегда ориентированы параллельно поверхности наледеобразования и сложены чистым прозрачным льдом призматической или зернистой структуры [3, 27]. В песках и супесях толщина шлиров обычно изменяется от 2 до 50 мм; слои выдержаны по простиранию и ограничены ровной поверхностью вмещающих грунтовых масс (рис. 2, а). Расстояние между соседними ледяными включениями колеблется от нескольких миллиметров до 8-10 см. Толщина заключённых между ними слоёв грунта зависит от продолжительности периода повторного наледеобразова-ния: чем больше времени проходит после излияния воды и полной кристаллизации наледного слоя, тем продолжительнее промерзание подстилающих горных пород и соответственно больше расстояние между ледяными шлирами. В не выдержанных по составу грунтах эта закономерность нарушается. В этом случае возможны частые пережимы и выклинивание включений льда, обусловленные неравномерным промерзанием грунтовой толщи из-за неоднородности её теплофизических характеристик и увлажнения. Однако ритмы льдовыделения вниз по разрезу сохраняются и в общем соответствуют количеству циклов излияния наледных вод. Приведённое описание представляет собой приближённую схему сложного теплофизического процесса, детали которого неизвестны. Для полного раскрытия механизма вакуум-фильтрационного льдообразования необходима постановка специальных опытно-экспериментальных работ и режимных наблюдений на наледных полигонах.
В крупнообломочных и хорошо промытых валунно-галечниковых отложениях слоистые криогенные текстуры отсутствуют. Если перед началом наледеобразования горные породы обводнены и не испытывают стеснения в процессе дальнейшего промерзания, то в них образуется базальная криогенная структура, т.е. лёд заполняет всё «свободное» пространство между частя-
0*с + ■ (ГС + - О "С + - О "С
I Н III IV
п, сиа шмиь т*
Рис. 1. Схемы сопряженного формирования наледи и подземного льда.
Стадии льдообразования: I — промораживание наледного ложа; формирование первого наледеобразующего слоя воды; II — образование вакуума в толще горных пород в результате частичного таяния подземного льда и подсос воды снизу; формирование второго наледеобразующего слоя воды; III — выравнивание кривой распределения температуры, прирост толщины слоя подземного льда; формирование третьего наледеобразующего слоя воды; IV — подтаивание подземного льда снизу, образование вакуума у его нижней поверхности, новый подсос воды, формирование очередного наледеобразующего слоя; 1 - вода; 2 - наледный лёд; 3 - мёрзлый грунт; 4 - талый грунт; 5 - подземный лёд; 6 - направление криогенной фильтрации подземных вод; 7 - кривая распределения температуры между периодами наледеобразования; 8 - кривая распределения температуры в период образования и кристаллизации слоя воды на льду Fig. 1. Schemes of combined formation of aufeis and ground ice.
Stages of the ice formation: I - freezing-through of the aufeis bed; formation of the first aufeis-forming layer of water; II - formation of vacuum in the layer of rocks as a result of partial thawing of ground ice, and infiltration of water from below; formation of the second aufeis-forming layer of water; III - smoothing of the temperature profile and increasing of thickness of the ground ice layer; formation of the third aufeis-forming layer of water; IV - partial melting of the ground ice from below, formation of vacuum at its lower surface, new infiltration of water, and formation of a next aufeis-forming layer; 1 - water; 2 - aufeis ice; 3 - frozen ground; 4 - thawed ground; 5 - ground ice; 6 - direction of cryogenic filtration of groundwater; 7 - the temperature profile between periods of the aufeis formations; 8 - the temperature profile at a period of formation and crystallization of water layer
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.