Криогенные (мерзлотные) процессы и явления – это являются экзогенными геологическими процессами и явлениями, обусловленными, в первую очередь, сезонным или многолетним промерзанием и протаиванием горных пород/ грунтов. Наиболее важное практическое значение имеют:
- пучение;
- морозобойное трещинообразование;
- подземные льды;
- термокарст;
- наледи;
- солифлюкция и др.
Пучением называется неравномерное увеличение объема грунтов в процессе их промерзания. Оно происходит за счет расширения (~ на 9 %) содержащейся в грунте воды при ее кристаллизации и в результате замерзания новых объемов воды, поступающих из талой зоны к фронту промерзания. Пучение наблюдается во всей области распространения сезонно – и многолетнемерзлых дисперсных пород. Различают пучение в закрытой (или замкнутой) и открытой системе. Пучение в закрытой системе, т.е. без подтока воды извне, как правило, не превышает первых процентов от глубины промерзающего слоя. При подтоке воды извне (в условиях открытой системы) вертикальное пучение грунтов значительно возрастает, достигая десятков процентов от глубины промерзания. В рельефе этот процесс выражается в виде бугров пучения различных размеров. Пучение может иметь сезонный (повторяющийся из года в год) или многолетний характер. В результате многолетнего пучения формируются крупные бугры, или скорее холмы (пинго, булгунняхи), диаметром до сотен метров и высотой до 30–40 м. Важной характеристикой пучения является его неравномерность, которая оценивается отношением разности вертикального перемещения двух точек поверхности к расстоянию между ними. С сезонными процессами пучения – осадки грунта связано вымораживание опор неглубокого заглубления, столбов и каменного материала в слое сезонного промерзания – протаивания.
Формирование морозобойных трещин происходит под действием температурных напряжений, возникающих в массиве мерзлых пород в результате их неравномерного сжатия в процессе охлаждении с поверхности. Согласно фактическим наблюдениям и теоретическим представлениям в однородных грунтах образуется система параллельных трещин, разбивающих массив на полосы примерно одинаковой ширины, а полосы разделяются поперечными трещинами на четырехугольные полигоны. Возникающий при этом полигональный микрорельеф пользуется широким распространением на территории криолитозоны. Наиболее распространены полигоны поперечником от 8 м до 20 м. Проникающая в трещины вода замерзает в них в виде ледяных клиновидных жил. Таким образом, морозобойные трещины в природных условиях играют большую роль в формировании крупных масс подземного льда. Подземный лед присутствует в многолетнемерзлых породах в виде породообразующего минерала (лед-цемент, прожилки и прослойки толщиной до первых сантиметров), крупных ледяных тел различной формы, размеров и происхождения. Среди залежеобразующих подземных льдов наибольшим распространением пользуются жильные, пластовые и линзообразные. На территории криолитозоны они встречаются повсеместно. Особенно известны отложения «ледового комплекса» в низовьях Яны, Индигирки и Колымы, где вертикальная мощность ледяных жил достигает 40–50 м, а их суммарный объем значительно превосходит объем вмещающих мерзлых пород. Залегание подземных льдов на небольшой глубине создает предпосылки для развития термокарста.
Термокарст — это образование провальнопросадочных форм микро- и мезорельефа в результате вытаивания подземных льдов (воронки, провальные ямы, западины, «блюдца», котловины). Термокарст — специфическое явление криолитозоны, с особыми, только ему присущими образованиями, например, полигональный бугристо-западинный микрорельеф, термокарстовые озера и др. Термокарст возникает под влиянием изменившихся условий теплообмена на поверхности земли, за которыми следуют увеличение глубины оттаивания вплоть уровня залегания подземного льда и просадка верхних оттаявших слоев. Образовавшиеся понижения заполняются водой, что, в свою очередь, приводит к значительному потеплению поверхности грунта. Если глубина сформировавшегося мелкого водоема превышает некоторую критическую для данных условий величину, процесс термокарста становится необратимым. Под достаточно крупными термокарстовыми озерами многолетнемерзлых пород (ММП) протаивают на всю мощность, т.е. образуются сквозные талики. В связи с наблюдаемым потеплением климата ожидается активизация термокарста. По некоторым оценкам, в Центральной Якутии к середине XXI столетия вероятность формирования термокарстовых озер возрастет в 3–5 раз. Хозяйственное освоение территорий сопровождается снятием растительного покрова, повышенным тепловыделением инженерных сооружений и другими факторами, способствующими активизации термокарста. При этом наибольшую опасность представляет потеря устойчивости инженерных сооружений вследствие неравномерных просадок оттаивающих грунтов основания. Данное обстоятельство необходимо учитывать при изысканиях под социально-бытовые и хозяйственные объекты криолитозоны, особо выделяя участки, на которых глубина оттаивания (с учетом динамики климата и техногенных воздействий) может превысить глубину залегания подземных льдов и высокольдистых грунтов.
Наледи представляют собой ледяные образования, формирующиеся в зимнее время за счет многократного излияния на поверхность и послойного замерзания подземных, речных, озерных, а также хозяйственно-бытовых вод. Большинство наледи распространено на территории криолитозоны. Главной причиной их образования является рост гидростатического давления и сужение живого сечения потока поверхностных или подземных вод в процессе сезонного промерзания. Прорыв воды на поверхность снимает избыточное давление в водной системе, и излияние прекращается до тех пор, пока напор не возрастет до величины, превышающей прочность мерзлой кровли. Преобладающая часть наледи приурочена к речным долинам. В зависимости от генезиса принято различать наледи:
- речных вод;
- подземных вод;
- смешанного происхождения (наземных и подземных вод).
Самыми крупными являются наледи подземных вод и смешанного происхождения. В особый подтип выделяют гигантские наледи, или тарыны. Некоторые тарыны достигают огромных размеров. Например, площади многих наледей на Северо-востоке России измеряются десятками квадратных километров, а мощность льда достигает 8–10 м. Наледи серьезно препятствуют эксплуатации дорог, аэродромов и других сооружений.
Солифлюкция — это вязкопластичное смещение переувлажненных мелкодисперсных отложений на склонах в ходе оттаивания. Высокая влажность достигается в основном за счет вытаивания льда, содержащегося в породе. В процессе солифлюкции образуются такие формы рельефа, как «языки», потоки, полосы и террасы. Солифлюкционные террасы обычно имеют ширину до 100 м, высоту фронтального уступа около 1 м и протягиваются вдоль склона на десятки метров. Отдельные наиболее крупные террасы имеют протяженность 1000 м и более, а высота уступа доходит до 5 м. Солифлюкция создает большие сложности при строительстве и эксплуатации линейных сооружений (трубопроводы, автомобильные и железные дороги, линии электропередач) на склонах, а также при добыче полезных ископаемых в открытых карьерах. Все криогенные (мерзлотные) процессы развиваются не только под действием природных факторов. Очень часто они бывают вызваны или значительно интенсифицированы человеческой деятельностью.
Источники: Кудрявцев В.А. и др. Общее мерзлотоведение. – М., 1978; Основы геокриологии // Динамическая геокриология. – М., 2001. Часть 4; Природные опасности России // Том. Геокриологические опасности. – М., 2000.