ξi = ξi-1 +√[(2λмгtпτ/Qфаз )+ ((Rснλмг)+ ξi-1 )2] – (Rснλмг)+ ξi-1), где ξi-1 – величина глубины промерзания предыдущего месяца.
Растительный покров – уменьшает теплообороты за счет теплоемкости, что определяет уменьшение отепляющего влияния снега.
Водный покров. Поверхностные воды оказывают отепляющее влияние в условиях распространения многолетнемерзлых пород. Даже в суровых климатических условиях реки промерзают только на глубину 1,5-2 м. Причина этого явления в особенностях льда, который, всплывая на поверхность, обнажает фронт протаивания. В самых холодных озерах лед стаивает. В этих условиях промерзание каждый раз идет с 0°С.
Заболачивание оказывает охлаждающее влияние.
Фильтрация дождевых осадков – повышает летнюю и соответственно среднегодовую температуру за счет конвективного переноса тепла.
Конвекция воздушных потоков – пещерный эффект (мерзлые толщи в пещерах в зоне распространения талых грунтов); изменение глубин промерзания в горах и межгорных впадинах.
Техногенные факторы – преимущественно привносят отепляющий эффект.
Формирование деятельного слоя (слоя протаивания) в зоне распространения
многолетнемерзлых пород зависит от:
5. Далее теплопоток снизу преобладает над теплопотоком сверху; они смыкаются (при среднегодовых нулевых температурах смыкание происходит весной – осенью).
Фазовая граница – изотермическая. Подошва слоя сезонного промерзания – оттаивания – четкая граница. Центральная часть сезонно-талого слоя иссушенная.
Процессы, сопровождающие промерзание-протаивание грунтов. В пределах деятельного слоя происходит интенсивное физическое выветривание за счет фазовых переходов льда и изменения его объема. Результатом физического выветривания является изменение дисперсности частиц. Грубообломочные частицы уменьшаются до пыли, а глинистые коагулируют в агрегаты. Порода превращается в алеврит.
Происходит перераспределение влаги – формируются криогенные текстуры – формы выполнения льдом пространства за счет массообмена. Криогенные текстуры: массивная – вода замерзает без перераспределения; шлировая – формируется серия параллельных прослоев, связанных с миграцией влаги при промерзании. Разновидность шлировой текстуры – сетчатая.
Классификация типов сезонного промерзания и протаивания пород (В.А.Кудрявцев). Основные признаки:
Географические:
Среднегодовая температура пород;
Годовая амплитуда колебания температур на поверхности пород;
Геологические:
Состав пород;
Влажность пород.
По среднегодовым температурам (в качестве границы принята среднегодовая температура перехода пород через 0°):
Переходный тип (периодический переход через 0) – колебания среднегодовых температур от 0° ±1°;
Полупереходный тип (эпизодический переход через 0) - колебания среднегодовых температур от +1° до +2° и от-1° до -2°;
Длительно устойчивый тип (переход из положительных в отрицательные температуры связан с длительными периодами и резкими изменениями теплообмена на поверхности Земли) - колебания среднегодовых температур от +2° до +5° и от-2° до -5°;
Устойчивый тип (при положительных температурах устанавливается южный, тропический и тропический типы сезонного промерзания, а для низких температур арктический и полярный типы сезонного протаивания) - колебания среднегодовых температур от +5° до +10° и от-5° до -10°;
По амплитудам температур выделяются:
Морской –амплитуды температур меньше 7,5;
Умеренно морской - амплитуды температур от 7,5 до11°;
Умеренно континентальный - амплитуды температур от 11 до13,5°;
Континентальный - амплитуды температур от 13,5 до17°;
Повышенно континентальный - амплитуды температур от 17 до21°;
Резко континентальный - амплитуды температур от 21 до 24°;
Особо резко континентальный - амплитуды температур выше 24°;
По типам пород: монолитные скальные породы, гравийно-галечниковые и щебнистые тонкозернистый песок, супеси, суглинки, глины, торф.
По влажности : в зависимости от количества влаги, участвующей в фазовых переходах.
1.Wест < Wн – отсутствие фазовых переходов при промерзании грунтов;
2, 3, 4 – фазовые переходы возрастают от 0 до максимальной величины при Wест = Wп.
2. Wн < Wест < Wн + 1/3 (Wп – Wн);
3. Wн + 1/3 (Wп – Wн) < Wест < Wн + 2/3 (Wп – Wн);
4. Wест > Wн +2/3 (Wп – Wн), где Wест- естественная влажность грунта на момент промерзания - протаивания, Wн – количество незамерзшей воды, Wп – полная влагоемкость.
ММП формируются на поверхности при отрицательных среднегодовых температурах, их мощность определяется в зависимости от теплопотока из недр Земли и определяется среднегодовой температурой и теплопроводностью. q =λм* |tп| / М = qгл.
Теплопроводность льда – 2,1 Вт/м*°С; воды - 0,63 Вт/м*°С ; воздуха – 0,021 Вт/м*°С; большинства породообразующих минералов 0,80 – 4,00 Вт/м*°С (1,2 Вт/м*°С ~ 1 Ккал/м*ч*°С).
Основной метод изучения – термометрия (измерение температуры).
Измерение температуры производится специальными заленивленными термометрами, которые выстаиваются в скважинах. Диаметр скважины минимум 3 дюйма. Для измерения температур на разных глубинах применяются температурные косы.
Терморезисторы – измерение температуры по величине удельного электрического сопротивления. Сопротивление уменьшается от температуры.
Термисторы – полупроводниковые термометры ( следует учитывать, что зависимость R-T нелинейная).
Виды многолетнемерзлых пород. Эпигенетическая мерзлота – промерзанию сверху подвергается уже сформированная толща пород. Характеризуется трещинно-жильными льдами. Сингенетическая мерзлота – мерзлые породы формируются за счет промерзания снизу в процессе осадконакопления, граница мерзлоты поднимается. Пример: пойма северных рек: в мерзлое состояние переходит нижняя часть слоя сезонного оттаивания. Циклов промерзания может быть много (10 000). Для сингенетической мерзлоты характерна: высокая льдистость; пылеватый состав; биогенные включения; мощные ледяные жилы (до 10 м); рыхлые отложения. В долинах рек за счет эрозии и на морских побережьях при абразии эти толщи быстро съедаются при оттаивании (едома).
Подземные воды и талики. Талики- талые породы в области распространении многолетнемерзлых пород, некоторая тепловая аномалия (породы частично или полностью оттаивают). Распространены везде, количество уменьшается с юга на север.
Таблица 3.1
Классификация таликов (Н.Н.Романовский)
Сливающиеся и несливающиеся талики. Несливающиеся – если между оттаявшими породами и талыми находится слой промерзших пород. Сливающиеся – мерзлые породы залегают со сторон талика.
Радиационные талики формируются за счет энергии солнца. Положительные температуры пород поддерживаются на участках, сложенных водонепроницаемыми породами при кондуктивном переносе тепла без влияния атмосферных осадков. Распространены у южной границы криолитозоны с большим количеством солнечных дней и малым количеством снега (Южная Сибирь, юг Дальнего Востока).
Тепловые талики формируются благодаря отепляющему влиянию снега на слабопроницаемых или водонасыщенных (болота) породах при условиях морского или умеренно-континентального климата с ветровым распределением снега (север европейской части России, западная Сибирь, горные районы Южной Сибири и Дальнего Востока).
Гидрогенные талики формируются под отепляющем действием поверхностных вод (таблица 3.1) совместно с грунтово-инфильтрационными потоками. Это области питания и разгрузки подмерзлотных вод.
Гляциогенные талики образуются за счет тающих ледников, потоки которых через трещины концентрируются у подошвы. Распространены в высокогорных системах (Памир, Тань-Шань, ледники Верхоянья, Чукотки, Корякии).
Гидрогенные, хемогенные и вулканогенные типы таликов существуют за счет тепловых аномалий, создаваемых благодаря внутренним процессам.
Талики техногенного типа формируются в процессе деятельности человека.
Подземные воды криолитозоны. Надмерзлотные, межмерзлотные, внутримерзлотные, подмерзлотные воды, воды сквозных таликов. Надмерзлотные воды – воды сезонного оттаивания. Подмерзлотные расположены ниже подошвы мерзлоты, напорные. Воды таликов реализуют пути связи поверхностных и подземных вод.
Криогенные процессы (таблица 3.2). Собственно криогенные процессы.
Пучение - процесс, связанный с образованием льда при замерзании содержащейся в породе воды, мигрирующей извне в рассматриваемый объем породы и к фронту промерзания. Процесс распространен неравномерно по площади и определяется составом пород и гидрогеологическими условиями. Результат пучения: образование каменных полей, выпучивание и последующее обрушение свай, опор линий электропередачи. Образование бугров пучения связано с процессами миграции воды при промерзании и накоплении льда в отдельных участках. Особенно часто бугры пучения возникают под торфом, так как торфяники сильно обводнены. Бугры миграционного пучения достигают высоты 1,5-2 м. При промерзании водоема, находящегося в многолетнемерзлой толще и имеющего относительно неглубокую чашу протаивания, образуются бугры, имеющие размеры 8-12, иногда до 40 м. Они называются «булгунняхами» (Якутия) или «пинго» (Канада, Аляска). При промерзании потока напорных вод формируются гидролакколиты.