Изучение сезонного промерзания и протаивания

Слой сезонного промерзания и протаивания^[1], или деятельный слой, является тем первым от поверхности горизонтом пород, изменение которого, вслед за изменением теплообмена на поверхности, приводит к развитию экологически опасных криогенных процессов. Наиболее полно теоретические и практические аспекты сезонного криогенного процесса представлены в учении В. А. Кудрявцева (1978) о сезонном промерзании и протаивании. В концепции ученого последовательно рассмотрены понятийный аппарат, классификация сезонно-талого слоя (СТС) и сезонно-мерзлого слоя (СМС), природные факторы, влияющие на их формирование, расчетные методы определения температур и мощности слоев, географические закономерности распространения.

Наиболее часто используемой характеристикой СТС-СМС является их мощность (глубина) и ее изменение. При всем многообразии причин, от которых зависит мощность СТС-СМС, самыми важными являются состав пород и, как правило, связанная с ним их влажность (льдистость). В естественных условиях глубина протаивания или промерзания увеличивается от торфа через минеральные связные грунты к обломочным и коренным породам. При геоэкологических оценках эта последовательность имеет обратный характер. Несмотря на небольшую мощность СТС-СМС в торфе или льдистых суглинках и супесях, именно в них практически одновременно с изменением глубины протаивания или промерзания развиваются опасные криогенные процессы, а в дальнейшем сами процессы и их результаты усугубляют протаивание, но уже не как сезонное явление, а в качестве многолетней тенденции. В обломочных и коренных породах изменение глубины СТС-СМС под влиянием техногенеза значительно больше, но последствия весьма незначительны, хотя со временем могут накапливаться вследствие, например, увеличения горизонта криогенного выветривания.

Оценка изменения собственно мощности СТС-СМС наименее акгуальна при мелкомасштабных, обзорных исследованиях, но имеет первостепенное значение при решении инженерно-геологических задач по обеспечению надежности работы гражданских и промышленных объектов. Во-первых, изменение протаивания или промерзания интегрируется в том или ином криогенном процессе, во-вторых, чрезвычайно важно обеспечить стабильность проектной мощности СТС-СМС. Следует отметить еще одно обстоятельство: интенсивность проявления криогенных процессов нередко связана не с достижением максимальной мощности СТС поздней осенью (СМС поздней весной), а в разгар лета (или в предзимье) в период максимальной температуры или экстремальных осадков в ходе сезонного протаивания или промерзания.

Из двух вариантов деятельного слоя — сезонное протаивание мерзлых пород или сезонное промерзание талых пород — для экологических целей важно использование мощности применительно к СМС. С мощностью связана защищенность таликов ог проникновения загрязнений в подземные воды, а также конечная величина пучения и выпучивания, если учесть, что продолжительность зимнего периода в криолитозоне с прерывистой, масссивно-островной и островной мерзлогой (там, где распространены талые породы) составляет 6−8 месяцев. Следует отметить, что для талых пород глубина промерзания и льдистость пород зимой являются мерзлотными характеристиками, которые позволяют оценить вклад криогенной составляющей в геоэкологическую ситуацию.

Для экологических оценок грунтов слоя сезонного оттаивания важны текстурно-структурные особенности. Большой вклад в теорию формирования состава и свойств пород деятельного слоя внесли исследования А. И. Попова (1987), В. Н. Конищева (1981), В. В. Рогова (2009). На основе криогенной текстуры в глинистых грунтах слоя сезонного оттаивания возникает посткриогенная структурность. По местам вытаявших или испарившихся шлиров возникают ослабленные зоны и трещины, разделяющие грунтовые агрегаты. Последние относительно обезвоживаются и уплотняются в ходе формирования ледяных текстур и сохраняются длительное время. Величина и прочность структурных отдельностей зависит от температурного режима, влажности и характера криогенных текстур. Посткриогенная структура грунтов СТС существенно изменяет их размываемость и воднофильтрационные свойства. Коэффициент фильтрации суглинков с естественной структурой СТС превышает в 100−1000 раз тот же показатель у тех же суглинков, но с нарушенной структурой. Это является причиной того, что надмерзлотные воды и вообще внугригрунтовые потоки возможны даже в глинах и тяжелых суглинках, слагающих СТС.

Как показывают эксперименты, посткриогенная структура может возникнуть в течение нескольких лет, т. е. в результате нескольких циклов промерзания-оттаивания. Изменение термического режима грунтов, что всегда имеет место при нарушениях естественных покровов, способствует формированию более отчетливой посткриогенной структуры. Посткриогенная структура очень сильно увеличивает размываемость грунтов, и в этом смысле ее роль несомненна (Конищев, 1981).

Территориальные типы деятельного слоя, которые характеризуются определенным диапазоном глубины промерзания и протаивания. отражают взаимодействие между собой природных факторов, под влиянием которых они формируются: микроклимата, рельефа, состава и льдистости (влажности) пород, напочвенных покровов (снег, растительность), обводненности поверхности. Мелкий тип СТС-СМС (интервал глубин мснсс 0,5−0,7 м) формируется в условиях, когда все или большая часть природных факторов способствует сокращению протаивания или промерзания. В гидроморфных ландшафтах, например, с мощным моховым и снежным покровом, сложенных силыюльдисгыми торфом и озерными суглинками, глубина протаивания и промерзания минимальна.

Средний тип СТС-СМС (диапазон глубин порядка 0,5−0,7… 1,5−2 м) характеризуется такими условиями теплообмена, когда его составляющие действуют разнонаправленно по отношению к мощности слоя. Примером могут быть довольно широко распространенные в Западной Сибири сосновые леса с моховым покровом, произрастающие на песках, где снег имеет среднюю региональную мощность. Заболоченность, мох, отчасти снег препятствуют интенсивному промерзанию, а песчаный состав грунтов компенсирует потери в этом смысле. Чаще всего средний тип деятельного слоя встречается в пределах типичного, господствующего ландшафта, адекватно суммирующего комплекс природных условий. Например, в типичной кустарничковой тундре, сложенной покровными суглинками с влажностью 20−25% в Большсземельской тундре или на Енисейском Севере мощность СТС равна 1−1,5 м.

Глубокий тип СТС-СМС (диапазон глубин примерно от 1,5−2 м до 3−5 м) формируется в условиях, когда большинство компонентов ландшафта способствует увеличению глубины протаивания или промерзания. В подзоне типичной тундры Западной Сибири, в пределах вершин дренированных холмов и гряд с разреженной растительностью, сложенных песками, глубина нрогаивания составляет 1,7−2,2 м.

Очень мелкое сезонное протаивание (мснсс 0,2 м) наблюдается в арктической тундре, где холодное непродолжительное лето нивелирует все иные различия природных условий. Очень мелкое сезонное промерзание характерно для «снежных» или подозерных таликов, где промерзание блокируется мощным снежным или ледяным покровом. Очень глубокое промерзание или протаивание.

(4−7 м) наблюдается в коренных породах горных стран главным образом центральных и южных регионов восточного сектора криолитозоны.

Такая типизация СТС-СМС позволяет более продуктивно использовать информацию о деятельном слое в геоэкологических интересах. Кроме того, она весьма наглядна и не скрыта в узко специальных мерзлотных характеристиках. Степень геоэкологической опасности возрастает от глубокого к мелкому деятельному слою, т. к. в этом же направлении увеличивается опасность нарушения естественных природных условий при техногенных воздействиях. При освоении, в первую очередь, более всего страдают напочвенные покровы (снег, растительность), обводненность. Их теплоизолирующая и, следовательно, стабилизирующая роль больше в ландшафтах с мелким протаиванием или промерзанием. Такова же тенденция изменения льдистости (влажности). Поэтому мелкий тип деятельного слоя является индикатором опасных геоэкологических последствий, которые относительно меньше в ландшафтах со средним и тем более глубоким типами протаивания или промерзания. Очень мелкое сезонное протаивание в Арктике вряд ли способно к радикальным изменениям (за исключением летних аномалий). Очень мелкое сезонное промерзание, напротив, находится в прямой зависимости от нарушений снежного или водного покрова, и при удалении снега и спуске озера может стать не только глубоким, но и многолетним. Очень глубокое промерзание или протаивание в коренных породах вряд ли может быть уменьшено, но переход его в многолетний процесс и образование таликов или перелетков мерзлоты весьма вероятны при подтоплении в акватории водохранилищ с образованием таликов или при вырубке лесов на горных склонах.

• [1] Широко принятая в геокриологии аббревиатура: СМС — сезонно-мерзлыйслой, СТС — сезонно-талый слой.