CC BY
77
5. Соболев М.Т., Устюжанннов В.Г. Геологическая карта Урала М 1:50000 // Фонды Уралгеолкома. Екатеринбург, 1972.
6. Фельдман А.Л. Мониторинг подземных вод на Полдне веком карьере Троицко-Байновского месторождения огнеупорных глин // Фонды КНР по Свердловской области. Екатеринбург, 1997.
УДК 556.388
И.В. Абатурова, Б.В. Лихарев, И.А. Носкова, И.С. Сабуров
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОЛЩ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
В РАЙОНЕ Г. САЛЕХАРДА
Интенсивное освоение северных районов, региональное изменение радиацнонно-теплового баланса в сторону положительного методически приводит к увеличению глубины протаивания толщ многолетнемерзлых пород и как следствие к развитию инженерно-геологических процессов и деформациям здании и сооружений [2]. Данные проблемы прослеживаются практически во всех городах Севера. Весьма показательным в этом отношении является столица Ямало-Ненецкого автономного округа г. Салехард. В этой связи важным является вопрос прогноза изменения мощности и понижения кровли многолетнемерзлых пород (ММП).
Территория г. Салехарда расположена севернее Полярного круга. История геологического развития, климатические особенности определили современное состояние горных пород как многолетнемерзлых [1,3].
В геологическом строении района принимают участие аллювиальные, озёрно-болотные, эоловые, делювиально-солифлюкционные, аллювиально-морскне, ледово-морские отложения неоплейстоцсна и голоцена, слагающие I. И, III и IV надпойменные террасы. В литологичсском отношении это пески, супеси, суглинки, глины, торфа.
Изучаемая территория принадлежит к зоне сплошного и прерывистого распространения ММП. Прерывистость обусловлена наличием таликовых зон сквозного и нссквозного характера, которые приурочены к руслам рек Оби, Полуя, Шайтанки, Васъегана. Несквозные талики встречаются под мелкими водными объектами, в полосах стока при значительной мощности снега, обильной растительности.
Одним из главных факторов, определяющих распределение многолетнемерзлых пород по площади, является ландшафт. В этой связи характер распределения ММП в пределах долин и водоразделов оказывается различным. На междуречном пространстве (р. Обь, Васъеган, Полуя) выделяются два типа участков, резко отличающихся по условиям теплообмена и особенностями распространения многолетнемерзлых пород: плоские заболоченные не дренированные поверхности; хорошо дренируемые поверхности.
Плоские заболоченные поверхности расположены в пределах II надпойменной террасы. Здесь многолетнемерзлые породы имеют широкое распространение и занимают 70-75 % площади. Участки приурочены к заторфованным безлесым территориям. В пределах залесенных участков, ложбин стока и днищ молодых хасыреев мощность многолетнемерзлых пород резко сокращается. На небольших по размеру ложбинах стока, разделяющих массивы заболоченных земель, поверхность многолетнемерзлых пород опущена до глуэины 2-5 м.
Хорошо дренируемые поверхности расположены в пределах III, IV надпойменных террас с абсолютными отметками поверхности 80-90 м. Для данных участков характерен оптимальный режим теплообмена, но малая мощность снежного покрова, песчаный состав пород привели к глубокому промерзанию пород. И как результат - для водораздельных пространств характерно однослойное строение толщи многолетнемерзлых пороц по вертикали. Моиность такой толщи составляет 80-200 м. Кровля совпадает с дневной поверхностью. Однако на отдельных участках мерзлота имеет слонегое строение. Первый слой залегает г поверхности, либо его кровля опускается до глубин 2-5 м и мощность сю составляет от 10 до 30 м. Иногда многолетнемерзлые породы первого слоя отсутствуют и фиксируется только второй слой. Второй слой характеризуется глубиной залегания кровли 40-50 м и МОЩНОСТЬЮ 20-80 м. Трсшй wioK залегает на глубинах более 80 м, и вскрытая мощность его составляет 25-30 м. Установлено, что мерзлота однослойного строения приурочена к тундровым, безлесым участкам. Двух-, редко трехслойное строение характерно для залесенных
участков. Вероятнее всего это объясняется тем, что к началу климатического оптимума на безлесых участках мерзлые породы имели более суровый температурный режим, чем на залесенных. Поэтому безлесые участки характеризовались меньшей глубиной протаивания, и на них произошло более быстрое промерзание оттаявшего слоя.
Основные факторы, определяющие условия формирования и существования многолетнемерзлых пород в пойме, - грунтовые волы, микрорельеф поверхности и растительный покров.
Пойма реки Оби является азональным участком по мерзлотным условиям благодаря мощному отепляющему влиянию водного потока. Такое явление приводит к тому, что на пойме р. Оби практически не встречается двухслойною строения мерзлой толщи и все мерзлотные зоны сдвинуты к северу. Очень характерно для поймы наличие сквозных и несквозных таликов глубиной от 10 до 30 м и более. Под руслом р. Оби зафиксирован сквошой талик. Под сорами мощность мерзлоты увеличивается, благодаря малой мощности снежного покрова, сдуваемого ветрами. На участках развития береговых валов мощность ей уменьшается или вообще отсутствует, благ одаря повышенной мощности снежниго покрова и песчанистому составу грунтов. Максимальная мощность мерзлоты, зафиксированная на пойме р. Обь, составляет 130 м.
В бассейне р. Полуй выделяется двухслойное строение мерзлоты. Здесь мощность первого слоя составляег 20-30 м, кровля его залегает с глубин 10-15 м, второй слой имеет мощность 30-50 м. Кровля реликтового слоя мёрзлых пород на террасовых уровнях залегает на глубине 60-90 м.
Многолетнсмерзлые породы распространены в залесенных (прирусловой и центральной) частях высокой поймы, где развиты на плоских участках с угнетенными заболоченными лесами.
Под небольшими реками (Васъёган, Шайтанка) формируются сквозные и несквозные талики щелсвидной формы. Мощность несквозных таликов составляет от 1,5 до 12,5 м. реже 20 м. Сквозные талики характерны для русловой зоны и отмечаются преимущественно в устье, где ширина долины достигает 700-1000 м.
Установлено, что пресные водоемы оказывают отепляющее влияние на температурный режим донных отложений, в результате чего под озёрами формируются несквозные талики. Такие талики и имеют форму чаши мощностью 8-10 м.
Многолетние инженерно-геологические исследования в пределах изучаемого района позволили установить основные закономерности формирования температурного режима пород и установить зависимости температуры пород от различных факторов природной обстановки.
Глубина слоя годовых колебаний составляет 7-8 м. При среднегодовых температурах пород, близких к 0 °С, глубина слоя сезонных колебаний может быть близка к мощности слоя сезонного промерзания - протаивания. Для района г. Салехарда характерны средние годовые температуры грунтов от 0 °С до -1 °С с диапазоном колебаний от 2 °С до (-4) - (-5) °С. Следует отмстить, что указанные выше закономерности в распределении температур горных пород характерны для наиболее типичных условий на поверхности. Разнообразие же ландшафтных условий в одной и той же климатической зоне приводит к значительным колебаниям температур отложений.
По характеру ландшафтных условий, определяющих структуру раднанионно-тсплового баланса, изучаемая территория представляет собой плоскую низменную равнину с закономерным чередованием участков залесенных, безлесых и заболоченных.
Залесенные участки развиты преимущественно в долинах рек. Общая площадь залесенной территории составляет около 20-30 %. Для данных участков характерны лиственично-сосновые. кустарничково-сфагновые и травяно-моховыс леса, сомкнутость крон которых варьирует от 0.1 до 0.3. На поверхности аллювиальных, озёрно-аллювиальных залесенные участки встречаются спорадически в виде отдельных островков. На залесённых участках террас температуры порол составляют (-0,5) - (-1) °С.
Наиболее пестрый температурный режим характерен для пойменных участков, где весьма ощутима роль конвективной составляющей теплообмена. Многолетнсмерзлые породы, приуроченные к мелкокочковатой пойме и участкам, занятым неглубокими сорами, имеют температуру от -0,5 °С до -1 °С. На участках с густой кустарниковой растительностью температу ра пород повышается. Талые породы, лежащие под руслом рек, проток и приуроченные к береговым валам, протягивающимся вдоль проток, имеют температуру от 0 °С до 0,5 ^С. На промороженных участках русла температура составляет (-1) - (-2) °С.
Безлесые (ту ндровые) участки занимают около 50-60 % территории, развиты повсеместно как на водоразделах, так и фрагментами в долинах рек. Установлено, что безлесые участки (Павлов.
1975) по сравнению с залесенными характеризуются увеличением в 1,5-2 раза годового геплооборота почвы. При этом увеличение летней инсоляции поверхности не только компенсируется, но в значительной степени и перекрывается возрастанием зимних потерь тепла вследствие резкого сокращения на открытых участках мощности снежного покрова. Поэтому температура пород в пределах безлесых участков речных террас и водоразделе» всегда оказывается более низкой и зависит от положения в рельефе, состава поверхностных отложений, характера растительного покрова, микрорельефа. Температу ра горных пород здесь колеблется от -1 °С до -2 С.
Болота и заболоченные участки занимают около :0-20 % территории и приурочены к участкам поймы, надпойменным террасам. Специфика теплсобмсна горных пород с атмосферой на данных участках определяется постоянным избыточным увлажнением поверхности и как следствие небольшой мощностью сезонноталого - ссзонномерзлого слоя, значительными потерями тепла на испарение и повсеместным развитием моховой растительности. Температуры пород на заболоченных участках составляют от О °С до (-3)-(4) °С Такие колебания температу р определяются прежде всего характером растительности, степенью увлажненности.
Наиболее высокие температуры пород характерны для травяно-сфагновых и травяных топей, широко распространенных в долинах рек н на водораздельньх пространствах. Такие участки имеют близкую к О С температу ру.
Заболоченные ложбины стока, распространенные на плоских водораздельных поверхностях, имеют температуры (-!) - (-2) °С. На плоских участках водораздельных болот, откуда сдувается снежный покров, температуры понижаются до (-3) - (-4) °С.
В пределах изучаемой территории нередко на заболоченных участках формируются бугры и гряды криогенного пучения. Так как снежный покров с поверхности бугров сдувается и откладывается у подножий, горные породы, слагающие бугры и гряды, оказывается более охлажденными, чем окружающие их плоские участки. Температура пород на таких участках меняется от -3 °С до (-5) - (-6) иС. Температура пород здесь определяется размерами бугра (высота и диаметр), характером поверхности (залесенные - безлесые), составом грунтов слоя сезонного протаивания (пески, торф, суглинки). Наиболее низкие температуры характерны для пород, формирующих безлесые бугры и г ряды высотой более 2-2,5 м.
Температуры пород в глубоких оврагах, долинах мелких рек полностью определяются условиями снегозаноснмости и поэтому зависят от ширины и глубины долин, их пространственной ориентировки относительно розы ветров и, как правило, оказываются более высокими, чем на соседних водораздельных участках.
Анализ фактического материата по разовым измерениям температуры позволил выявить ропк различных факторов природной обстановки в формировании температуры пород. Основными факторами, формирующими температурный режим пород на исследуемой территории, являются: состав поверхностных отложений, положение участка в рельефе и его микрорельеф (определяющие дренированностъ и условия снегозаноснмости), характер растительного покрова.
Климатические особенности г. Салехарда (суровая продолжительная зима, низкие среднемесячные температуры воздуха) определили, что преобладающую роль в формировании температурного режима пород играет мощность снежного гокрова. Установлено, что в пределах безлесых участков, сложенных песками и суглинками, температуры пород очень близки, а разница в температурах участков, сложенных песком, и плоских заболоченных участков сокращается до 1-1,5 °С. Это характерно для придолинных дренированных участков, сложенных песками с кустарничково-лишайниковыми тундрами.
Такое аномальное распределение температур в пределах участков, сложенных различными породами, полностью объясняется характером снегонакопления на этих участках, поскольку на кочковатой поверхности торфяных массивов задерживается бэльше снега, чем на ровных участках, сложенных песками и суглинками. Песчаные участки с кустарничково-лишайниковым покровом имеют, как правило, ровну ю поверхность, не препятствующую переносу снега, мощность которого не превышает 20-30 см. Наличие песчаных раздувов в придолинных участках свидетельствует о практически полном сдуваннн с них снега, и как результат - более низких температурах пород. На участках с кочковатой и мелкобугристой мохово-кустарничковон тундры, часто с мочажинами, сложенных с поверхности суглинками, лучшие условия для накопления снега, и поэтому они имеют более высокую температуру, чем участки, сложенные песками.
В связи с равнинностью территории характер инсоляции на большей се части сравнительно одинаков. Исключение составляют крутые склоны, занимающие небольшую площадь и
приуроченные к перегибам местности, главным образом в долинах рек. Существенное значение в формировании температур поверхностных отложений имеет микрорельеф поверхности, определяющий условия увлажненности пород слоя сезонного промерзания - протаивания и характер распределения снежного покрова. В пределах изучаемой площади наиболее "теплыми" оказались грунты, слагающие понижения рельефа, имеющие оптимальные условия для снегонакопления.
Максимальная амплитуда температур пород из-за неравномерного снегонакопления достигает
4-5 °С.
Одним из главных факторов, определяющих температурный режим поверхностных отложений, является снежный покров. По данным снегомерной съёмки в районе г. Салехарда, мощность снегового покрова меняется от 10-20 до 50-70 см. Анализ данных показывает, что особенно велико различие в мощности снега в пределах безлесых и залесённых участков. В зависимости от мощности слоя снега и его плотности среднегодовая температу ра пород повышается на каждые 10 см снега на 1 °С. В свою очередь, выше было доказано, что пространственная изменчивость температуры пород полностью определяется особенностями микрорельефа поверхности, что и обусловливает распределение снежного покрова. В соответствии с особенностями зимней розы остров (наиболее часты юго-западные ветры) более высокие температуры пород формируются в узких долинах, ориентированных с севе ро-запада на юго-восток, а наиболее низкие - в широких долинах северо-восточного направлениях.
Удаление снежного покрова приводит к увеличению мощности сезонномсрзлсго слоя на 20-
50 %.
Существенное влияние на тепловое состояние пород оказывает растительный покров. Располагаясь на поверхности раздела между атмосферой и литосферой, растительный покров регулирует количество тепла, поступающего в почву, в летний период оказывая существенное влияние на влагообмен в верхних слоях почвы.
По характеру влияния на теплообмен атмосферы с литосферой растительный покров можно разделить на три группы: древесный; кустарники; травяной и моховой ярус.
В зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород леса редкостойные, в летний период влияние лесного покрова сравнимо с его зимним влиянием. Лесной покров сокращает амплитуду колебания температуры поверхности почвы. Так, в пределах сомкнутых пойменных лесов в долине р. Оби температура грунтов понижается всего на 0,2-0,5 °С.
Вырубка таких лесов на придолинных дренированных участках с пониженной кровлей M МП приводит к поднятию верхней поверхности ММП вплоть до смыкания сё с сезоино мерзлым слоем.
Кустарниковый ярус способствует накоплению снега, тем самым охраняя почву от охлаждения и уменьшая глубину сё промерзания. Влияние его на грунты тем больше, чем больше мощность снежного покрова, продолжительнее зима, ниже температура воздуха.
Травяной и моховой покровы играют роль теплоизолятора. Однако в пределах сплошного распространения ММП его влияние на изменение температурного режима незначительно.
Наиболее пестрый температурный режим характерен для пойменных участков. Многолетнемерзлые породы, приуроченные к мелкокочковатой пойме и участкам, занятым неглубокими сорами, имеют температуру от -0,5 до -1,0 °С. На участках с густой кустарниковой растительностью температура пород повышается. Талые породы, лежащие под руспом проток и приуроченные к береговым валам, протягивающимся вдоль проток, имеют температуру от 0 '"'С до 0,5 °С.
Таким образом, установленные закономерности распространения толщ многолетнемерзлых пород, их основные температурные характеристики позволяют принять уже на стадии проектирования зданий и сооружений конструктивные решения по строительству в условиях сурового климата.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. М.: Изд. МГУ, 1978. С. 25-27.
2. Хрусталев Л.Н., Кутовицкая Н.Б., Гребеиец В.И. Геокриологические опасности в городах и посёлках // Геокриологические опасности / Под ред. Гарагули Л.С. 2000. С. 1 î 1-157.
3. Трофимов В.Т. Зональность инженерно-геологических условий континентов Земли. М.: Изд. МГУ. 2002. С. 48-52.
