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 4 м, 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 над мерзлотные, циркулирующие в деятельном слое, межмерзлотные, образующие внутри вечной мерзлоты линзы илЬ зоны оттаивания (так называемые «талики»), и под мерзлотные, 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 7 м, форма различная, но чаще округлая, склоны и вершины обычно изрезаны трещинами. Торфяные бугры часто отделены друг от друга извилистыми болотистыми каналами (ерсеи).

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 2 м, 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 5 м.

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 слоямимерзло, ты — сезоннойи многолетней. Таким образом, пятна — медальоны это нечто вроде миниатюрных грязевых вулканчиков.

В полярных странах встречаются и другие типы структурные 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 (рис. 88). 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 (см. гл. 13 и 16).

Таким образом, области распространения вечной мерзлоты отличаются своеобразием и большим разнообразием форм микро- и мезорельефа, пространственное соотношение которых представ­лено на идеализированной схеме (рис. 89).

ГЛАВА 18. ФОРМЫ РЕЛЬЕФА АРИДНЫХ СТРАН

Геоморфологические процессы и формы рельефа, связанные с дея­тельностью ветра, называются эоловыми. Для морфологического проявления эоловых процессов необходимо определенное сочетание физико-географических и геологических условий: незначительное количество атмосферных осадков, большая сухость воздуха, час­тые и сильные ветры, отсутствие или разреженность растительного покрова, интенсивное физическое выветривание горных пород, ши­рокое распространение достаточно тонких по механическому со­ставу продуктов денудации — песков, алевритов или слабосцементированных пород песчаного или алевритового состава. Наиболее заметно деятельность ветра проявляется при его воздействии на рыхлые пески и пыль.

Перечисленные условия наиболее полно представлены в арид­ных странах, т. е. в тропических пустынях зон пассатов, где осад­ки выпадают лишь спорадически и годовое их количество меньше 100 мм в год, а также в странах с семиаридным климатом, т. е. в пустынях и полупустынях умеренных широт. Следовательно, проявление эоловых процессов прежде всего связано с физико-географической зональностью, а конкретнее — с определенными соотношениями тепла и влаги.

При благоприятных геологических условиях эоловые процессы могут проявляться и как азональные. Так, нередко независимо от климатических условий большие скопления рыхлого песка наблюдаются на морских берегах. Систематическое поступление песка на пляж (см. гл. 19) благоприятствует геоморфологической деятельности ветра на морских берегах практически при любых климатических условиях, поскольку песок не сразу закрепляется. Известно, например, что на берегах полуострова Ямал (зона тун­дры) широко распространены эоловые формы рельефа. Возникают эоловые формы рельефа и в речных долинах при интенсивном по­ступлении песчаного аллювиального материала.

Таким образом, пустыни и полупустыни, аккумулятивные пес­чаные берега морей, участки интенсивного накопления песчаного материала в речных долинах — вот те районы, где деятельность ветра протекает наиболее интенсивно.

Выделяют следующие виды эоловых процессов: дефляция — процесс выдувания или развевания рыхлого грунта, корразия — процесс обтачивания, шлифовки, высверливания и разрушения твердых пород обломочным материалом, перемещающимся под действием ветра, перенос эолового материала и его аккуму­ляция.

Существует прямая связь между скоростью ветра и переносом частиц развеваемого грунта. Движущая сила ветра прямо пропор­циональна его скорости и обратно пропорциональна величине (диаметру) переносимых ветром частиц. Экспериментальными на­блюдениями установлены следующие соотношения между скоростя­ми ветра и размерами переносимых частиц:

Максимальные размеры Скорость ветра, м/с движущихся песчинок, мм

4,5—6,7 0,25

6,7—8,4 0,5

9,8—11,4 1,0

11,4—13,0 1,6

ФОРМЫ ДЕФЛЯЦИОННОГО И КОРРАЗИОННОГО РЕЛЬЕФА

Ветер выносит тонкие продукты выветривания, а также разве­вает скопления рыхлого материала, состоящего из песчаных, але­вритовых или пелитовых частиц. Большие массы песка, несомые ветром, соприкасаясь с выходами скальных пород, действуют как абразивный материал, стачивают и шлифуют (коррадируют) по­верхность породы.

В результате корразии образуются эоловые корразионные ниши, своеобразные выработанные формы — эоловые «каменные грибы», «каменные столбы». Такие образования можно часто встре­тить в каменистых пустынях. Ниши обычно вырабатываются в срав­нительно легко разрушаемых породах — слабосцементированных песчаниках, мергелях, глинах, алевритах. «Каменные грибы» и по­добные им корразионные формы образуются в том случае, если легко поддающиеся корразии породы сверху бронированы устой­чивыми, прочными породами. Так, например, на Мангышлаке по­добные формы сложены песчаниками, перекрытыми плотными, крепко сцементированными пластами фосфоритовых конкреций.

При воздействииветра на скопления рыхлого материал» и вы­носаего за пределы первоначального залегания образуются дефляционные котловины, или котловины выдувания, — вытянутые отрицательные формы рельефа, обычно длиной в несколько десят­ков или сотен метров, ориентированные в направлении действия ветра (рис. 90). Иногда формы выдувания имеют вид борозд, на­зываемых ярдангами. Они возникают либо при полосчатом рас­пространении подверженных дефляции пород, либо при развева­нии песков вдоль дорог и других искусственных образований, имеющих вытянутую форму.

В ряде случаев в процессе дефляции, действующей в комплек­се с другими денудационными процессами, образуются впадины гигантских размеров.

Дефляция играет важную роль в развитии солончаков — харак­терных для пустынь природных образований, связанных с капил­лярным поднятием соленых грунтовых вод в поверхностные и при­поверхностные грунты под воздействием интенсивного испарения. В других случаях засоление грунта и образование солончаков обусловливается геологическими и гидрогеологическими особен­ностями местности, например, выходами соленых подземных вод в зонах тектонических разломов. Подробнее об этом сказано нес­колько позже, при рассмотрении такого характерного элемента морфологии многих пустынь, как бессточные впадины.

Один из очень вредных процессов дефляции — ветровая эрозия почв. Она возникает при небрежной обработке сельскохозяйствен­ных земель. Если сельскохозяйственные пахотные земли эксплуати­руются без должной заботы о сохранении их структуры и плодоро­дия, гумусовый слой почвы теряет структурность (комковатость) и легко развевается под действием ветра. Ветровая эрозия еже­годно наносит огромные убытки странам, где она имеет место. Количество выдуваемой почвы, по Н. Н. Сус, может достигать грандиозных размеров — до 125 т/га.

На поверхности песчаных накоплений при неравномерном раз­вевании и ветрах переменных направлений образуется ландшафт ячеистых песков — сочетания котловин выдувания и перегородок между ними. Перегородки обычно являются не только остаточны­ми элементами, но и служат одновременно участками аккумуля­ции части материала, выносимого из котловины. При ветрах устойчивого направления в ходе дефляции впадины приобретают определенную ориентировку и характерную форму полумесяца — возникают так называемые лучковые пески. Очень крупные лунковые формы (до 70 м глубины) известны в Аравии, где их называют фульджами.