Экзогенные процессы в земной коре. Подземные воды и льды криолитозоны

Оглавление

Введение

Глава 1. Понятие криолитозоны

1.1 Распространение криолитозоны

1.2 Происхождение криолитозоны

1.3 Строение криолитозоны

Глава 2. Подземные воды криолитозоны

Глава 3. Подземные льды криолитозоны

Заключение

Список использованных источников

Введение

Около 65% территории России занято многолетнемёрзлыми породами (ММП), но они не все одинаковы по своему строению и характеру распространения. В России ММП сплошного распространения занимают 53%, прерывистой - 15%, массивно-островной 19% и островной 13% от общей площади криолитозоны.

Все ресурсы, которыми мы сегодня живы, а это 75% полезных ископаемых России, находятся на Севере. Поэтому, в переносном, правда, смысле, они тоже являются “холодными” ресурсами, поскольку мы их добываем в крайне суровых условиях. Это нефть и газ, алмазы, золото, олово, уголь и др.… Горные выработки, пройденные в вечной мерзлоте, просто потрясают своими размерами (Нерюнгринский угольный разрез, карьеры-разработки алмазоносных трубок и т.д.). Мерзлота Центральной Якутии интересна и археологам. Они выдвинули гипотезу, что первые люди появились на севере - в Якутии, чуть ли ни миллион лет назад. Правда, следует отметить, что эта идея оспаривается. Однако рисунки на скалах и находки в виде фигурок, которые относятся к более поздним эпохам, свидетельствуют о том, что древний человек жил и творил в суровых условиях.

В результате освоения северных территорий, особенно в Западной Сибири мы воздействуем на многолетние мёрзлые породы. Поэтому необходимо изучать многолетнемёрзлые породы и процессы, которые в них происходят.

Глава 1. Понятие криолитозоны

На рубеже XVIII и XIX веков в устье р. Лены было найдено хорошо сохранившееся тело мамонта. За последние два века таких находок сделано очень много. Каким же образом тысячи лет так хорошо сохранялись погибшие животные? Все дело в том, что тела мамонтов находились в замороженном состоянии, т.к. были окружены горными породами, температура которых была ниже 0°С. Такие породы существуют на земном шаре от 2-4-х лет до многих десятков и даже сотен тысяч лет и поэтому их называют “вечной” мерзлотой или многолетнемерзлыми. Территория на которой распространены многолетнемерзлые породы, носит название криолитозоны (греч. “криос” - холод, “литос” -камень, порода).

Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород. Под мерзлыми понимают такие породы, которые содержат в своем составе лед и характеризуются отрицательными температурами. Морозные породы отличаются от мерзлых тем, что в них отсутствует вода и лед. Такие породы чаще всего представлены магматическими и метаморфическими их разновидностями, а также сухими песками и галечниками. Охлажденные породы также имеют температуру ниже 0°С и насыщены минерализованными солеными водами -криопэгами (греч. “криос” -холод, “пэги” соленые воды).

1.1 Распространение

Криолитозона широким кольцом охватывает пространство вокруг Северного Ледовитого океана и занимает в целом около 25% площади всей суши и 64% территории России. Многолетнемерзлые породы есть в виде “островов” и в привершинных участках высокогорных хребтов в Альпах, на Кавказе, на Тянь-Шане и Памире, в Гималаях и других местах, занимая, в общей сложности 3 млн. км2.

Крупный ареал высокогорной мерзлоты (2 млн. км2) охватывает Тянь-Шань, Памир и Гималаи, достигая на юге 27° с.ш. Благодаря суровым зимам в России, практически весь самый верхний слой земной коры вне криолитозоны промерзает на глубину до первых метров. Летом он оттаивает, а в зимний период снова оказывается промороженным.

Распространение криолитозоны таково, что в южных районах она располагается отдельными островами среди талых пород. Мерзлые породы имеют мощность 10-25 м и залегают в виде линз. Севернее располагается зона не сплошных мерзлых пород мощностью до 100 м, в которой много таликов - участков непромерзших пород. Севернее, обычно, криолитозона занимает все пространство, а ее мощность увеличивается до 1000-1500 м.

Мощность “вечной мерзлоты” изменяется в очень широких пределах от первых метров по южной окраине ее распространения, до 1000 м и даже 1500 м.

1.2 Происхождение криолитозоны

Несомненно, что возникновение криолитозоны в Северном полушарии в целом связано с неоднократными оледенениями, охватывавшими в последние 2 млн. лет огромные районы. Криолитозона формируется не только в пространстве, но и во времени. Известно, что промерзание верхней части земной коры происходило в геологической истории не один раз. Но потом, породы, конечно, оттаивали, местами охраняя лишь неясные следы былого промерзания. В пределах России установлено, что примерно 2 млн. лет назад, т.е. в позднем плиоцене криолитозона уже существовала в пределах Новосибирских островов, Яно-Индигирской и Колымской низменностях. Но в отдельные моменты последующей геологической истории она исчезала и снова возникала. Где-то около 650 000 лет назад возникнув, она уже сохранялась, т.к. один за другим следовали ледниковые эпохи. Казалось бы, где были более мощные ледники и где они сохранялись дольше всего, там и следует ожидать максимальные мощности криолитозоны. Однако, картина получается более сложной. Как раз в тех местах, где находились ледники, мощность криолитозоны меньше, чем в тех местах, где льда не было. Там, в условиях суровых зим горные породы промерзали на большую глубину при прочих равных условиях. В реликтовом состоянии «вечная мерзлота» сейчас находится под дном шельфовых морей северных побережий России, несмотря на спорность существования в их пределах Панарктического ледникового покрова. Если шельфы и не покрывались льдом, то в условиях сильного понижения уровня моря во время последнего оледенения они должны были промерзать на большую глубину.

Таким образом, области сплошной «вечной мерзлоты» начали возникать еще в позднем плиоцене - 2 млн. лет назад, но сплошная криолитозона, уже не исчезавшая впоследствии, образовалась около 650 000 лет назад, т.е. в раннем плейстоцене в пределах севера Сибирской платформы. В равнинных участках материков распространение криолитозоны связано с широтной зональностью, т.к. количество солнечной радиации становится меньше к северу, понижаются среднегодовые температуры, увеличивается альбедо - отражательная способность поверхности Земли вследствие длительного сохранения снежного покрова. Снежное поле отражает до 90% солнечной радиации, тогда как вспаханное поле только 7-8%. В горных районах наблюдается высотная геокриологическая зональность. Возможно, что в горах Памира и Гималаях мощность криолитозоны возрастает и до 3000 м

Мощность криолитозоны зависит от очень многих факторов: широты местности, ландшафта, рельефа, геологического строения, структуры и теплового потока. Например, на Анабарском древнем массиве Сибирской платформы мощность криолитозоны превышает 1000 м, тепловой поток в докембрийских структурах невысокий - 15-25 мВт/м2 и очень маленький геотермический градиент. В то же время на более молодой, эпипалеозойской Западно-Сибирской плите свойственен более высокий тепловой поток - до 50 мВт/м2 и геотермический градиент до 5°С на 100 м. Поэтому на тех же широтах мощность криолитозоны в Западной Сибири в 2-3 раза меньше и колеблется от 300 до 400м.

1.3 Строение криолитозоны

В пределах распространения криолитозоны кровля многолетнемерзлых пород всегда залегает на некоторой глубине, которая определяется мощностью слоя, оттаивающего летом. Этот слой называется сезонноталым, он полностью промерзает. В криолитозоне и на таликах зимой образуется сезонномерзлый слой, который подстилается немерзлыми или талыми породами. Летом этот слой полностью оттаивает.

Глубина промерзания или протаивания имеет важное значение и зависит от количества солнечной радиации, поступающей в данный район летом и зимой. В южных районах Западного Забайкалья, протаивание летом может достигать 4-6 метров, но рядом, в зависимости от рельефа и ландшафта не превышает и 0,5 м. На крайнем севере, например, на Земле Франца-Иосифа летом оттаивает всего 10-20 см грунта. В криолитозоне всегда находятся участки, где сезонноталый слой не полностью промерзает зимой и участки, где летом не полностью оттаивает сезонномерзлый слой. Оттаивание пород начинается сразу после схода снега и его темп может достигать нескольких десятков сантиметров в месяц. Даже на небольшой, казалось бы, однородной в климатическом отношении площади, летнее оттаивание происходит на разную глубину и с различной скоростью. Все зависит от конкретных геолого-геоморфологических особенностей, экспозиции склона, залесенности и т.д. Слои сезонного оттаивания могут промерзать не только сверху, но и снизу, со стороны многолетнемерзлых пород. Слой сезонного промерзания и оттаивания чрезвычайно важен для строительства, т.к. именно его мощностью определяются условия, в которых закладываются фундаменты зданий, забиваются сваи и т.д. Поэтому составляются детальные карты сезонноталых и сезонномерзлых слоев, в которых происходят фазовые превращения воды, связанные с поглощением или выделением тепла. Слой с сезонными изменениями теплового состояния пород очень быстро реагирует на любое техногенное вмешательство, при этом могут развиваться негативные процессы, которые потом трудно ликвидировать.

В различных геологических районах строение криолитозоны может отличаться. Местами развиты только мерзлые породы. В других районах, например, на древних платформах, где осадочный чехол перекрывает метаморфический фундамент, первый представлен мерзлыми, а второй морозными породами.

На побережьях морей Ледовитого океана под мерзлыми породами залегают охлажденные породы с криопэгами и переход между ними постепенный. Верхняя толща мерзлых пород имеет более молодой возраст, чем более нижняя.

Глава 2. Подземные воды криолитозоны

Образование многолетнемерзлых пород, являющихся водоупорами, сильно изменили условия водообмена атмосферных и подземных вод в криолитозоне. Большая часть пресных подземных вод в криолитозоне приурочена к таликам. Таликами или талыми зонами называются толщи талых горных пород, которые развиты с поверхности земли или под водоемами и реками и которые непрерывно существуют более десятка лет. Если талики снизу подстилаются мерзлыми породами, то они называются надмерзлотными или несквозными, а если талики только обрамляются по бокам мерзлыми породами, как стенками, то они носят название сквозных. Талики также могут быть межмерзлотными и внутримерзлотными в виде линз «тоннелей», «трубы», ограниченными со всех сторон мерзлыми породами. Подземные воды криолитозоны по отношению к мерзлым породам (криогенным водоупорам) подразделяются на:

1) надмерзлотные;

2) межмерзлотные;

3) внутримерзлотные;

4) подмерзлотные воды.

Надмерзлотные подземные воды подразделяются на временные воды деятельного слоя и постоянные воды несквозных таликов. Временные воды существуют только летом, и глубина их зелегания не превышает кровли мерзлых пород. Воды имеют важное значение для процессов солифлюкции, образования курумов, оплывин, пучения пород.

Постоянные воды связаны с несквозными таликами над кровлей мерзлых пород и они отвечают за образование гидролакколитов, бугров пучения, наледей.

Межмерзлотные воды обычно располагаются между двумя слоями мерзлых пород, например, между голоценовым верхним и реликтовым, позднемиоценовым, нижним. Эти воды чаще всего динамически неактивны.

Внутримерзлотные воды, о чем говорит их название существуют внутри толщи мерзлых пород и находятся в замкнутых объемах, будучи приуроченными к таликам в карстующихся известняках.

Подмерзлотные воды циркулируют вблизи подошвы мерзлой толщи, обладают положительными температурами, иногда слабо или сильно минерализованы и могут быть напорными и ненапорными, а также контактирующими с мерзлой породой или неконтактирующими, т.е. отделенными слоем талых пород от мерзлых.

Глава 3. Подземные льды криолитозоны

Подземными льдами называют все виды льда в мерзлых породах вне зависимости от их образования, размеров и условий залегания. С их формированием связаны многие геокриогенные процессы. По данным В.А. Кудрявцева, Н.Н. Романовского и других исследователей, льды, формирующиеся в горных породах, могут быть подразделены на четыре основные группы:

1. Погребенный лед, образующийся при захоронении снежников и подземных льдов.

2. Повторно-жильный лед, образующийся при неоднократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин, захватывающих как деятельный слой, так и ММП. Глубина таких жил различна - от 0,5-1 до 30-40 м, а ширина в верхней части до 8-10 м и более.

3. Инъекционный лед, возникающий в результате замерзания подземной воды, внедряющейся под напором в толщу мерзлых дисперсных пород.

4. Конституционный лед, образующийся главным образом при промерзании влажных дисперсных пород. Он подразделяется на: лед-цемент - мелкие кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки во влажных породах при их замерзании, и сегрегационный (лат. "сегрегаре"-отделять), или миграционный лед, образующийся при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания. В результате образуются ледяные шлиры (нитевидные включения), небольшие гнезда, линзовидные прослойки.

Образование залежей подземного льда тесно связано с криогенными процессами. Например, с криогенным растрескиванием, проявления которого не бросаются в глаза при наземных работах, но хорошо видны в иллюминаторы самолета или вертолета при полетах над лесотундрой и тундрой Сибири. Сверху хорошо видно, что возникает, сетка, такая же, как бывает в пустыне Сахара с высохшей после ливневых дождей почвой, т.е. почва трескается, и когда высыхает, и когда замерзает. В возникающих трещинах может происходить формирование полигонально-жильных льдов, достигающих большой мощности. В криосфере на обводненных участках в трещины попадает вода, которая, замерзая, превращается в клинья (жилы), так формируются системы повторно-жильных подземных льдов. При многократных повторениях таких процессов в ледниковый период на обширных пространствах приморских низменностей Северо-Востока жилы росли и сливались в ледовый комплекс, который называют едома. Тогда здесь были так называемые мамонтовые степи. Вообще крупные животные паслись на этих степях. И загадочно вымерли. В местах, где имеются залежи подземных льдов при их вытаивании возникают термокарстовые озера. Так удивляют порой произведения криосферы, например, в хребте Токинский Становик на юго-востоке Якутии есть озеро в форме сердца, возникшее в результате подпруды горного ручья мореной растаявшего в троговой долине ледника. Не менее уникальны наледи, которые часто формируются в местах разгрузки подземных вод криолитозоны и сохраняются все лето. Прекрасный Байкал тоже находится в зоне влияния криосферы. Горы, которые окружают озеро Байкал, сверху сложены мёрзлыми породами, внизу - сезонно мёрзлыми. И чистая вода озера во многом обязана этому непрерывно работающему криогенному реактору. То есть грунтовые воды промерзают, оттаивают и стекают. Талые воды, фильтруясь через тела мощных и многочисленных курумов, стекают в Байкал ежегодно. И так миллионы лет. Поэтому это озеро практически самое чистое в России и содержит 20% мировых запасов пресной воды.

Заключение

Криолитозона занимает более половины территории России и как раз в местах, богатых полезными ископаемыми - нефтью, газом, углем, различными рудами. Освоение этих территорий имеет громадное значение для нашей страны. Области распространения многолетнемерзлых пород очень чутко реагируют на любые природные или техногенные вмешательства Высокая льдистость многолетнемерзлых пород и термическое равновесие, готовое сместиться от малейших изменений определяет неустойчивое поведение многолетнемерзлых пород. Любое повышение температуры сразу же повышает глубину сезонного протаивания, лед превращается в воду, которая уходит, грунт уплотняется и проседает. Это явление, называемое термокарстом, сопровождает строительство, деланное без учета правил, предусмотренных для криолитозоны.

Происходящее изменение климата и природной среды под влиянием техногенной деятельности человека и впоследствии естественных причин, может доставить будущим поколениям немало хлопот в районах распространения многолетнемерзлых пород.

Список использованных источников

1. Общее мерзлотоведение (геокриология) / Под ред. В.А. Кудрявцева. - М.: Изд-во МГУ, 1978. 464 с.

2. Павлов А.В. Закономерности формирования криолитозоны при современных изменениях климата // Известия РАН, серия геогр.,1997, N 4, c. 61-73.

3. Джон Б., Дербишир Э., Янг Г. Зимы нашей планеты. - Москва; 1982; 253.

4. Палмер Геология. - Москва; 1984; 485.

5. Гурский Б.Н., Гурский Г.В. Геология. - Москва; 1985; 391.