Вечная мерзлота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вечная мерзлота

План

1. Вечная мерзлота как глобальное явление

2. Вечная мерзлота и её структура

3. Мёрзлые грунты и их классификация

Заключение

Использованная литература

1. Вечная мерзлота как глобальное явление

Вечная мерзлота -- явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. Только в России площадь вечной мерзлоты составляет примерно 11115000 кмІ, то есть около 65% ее территории. Вечная мерзлота -- это природный феномен северного полушария нашей планеты, где сосредоточена большая часть суши.

В Евразии вечная мерзлота занимает около 13 млн кмІ и простирается от приполярных широт до 44° с. ш., а в Тибетско-Гималайской высокогорной области вечная мерзлота проникает до 28° с. ш. В Северной Америке площадь вечной мерзлоты меньше -- 7,2 млн кмІ, ее южные пределы прослеживаются в диапазоне широт 52-56°, т.е. значительно севернее, чем в Азии. Причина этого различия заключается в том, что более возвышенный горный рельеф Азии и, следовательно холодный климат, определяют более южное положение границы вечной мерзлоты.

Благодаря горному рельефу острова вечной мерзлоты проникают далеко на юг (огромный высокогорный Тибетско-Гималайский остров вечной мерзлоты). В Европе массивы вечной мерзлоты приурочены к горам Скандинавии и Исландии, Альпам, Пиренеям, Карпатам, Кавказу. Естественно, что в горах вечная мерзлота начинается с определенной высоты, где среднегодовые температуры грунта не поднимаются выше 0 °С.

В Северной Америке вечная мерзлота равнин сливается на западе с мерзлотой Скалистых гор Канады. Но острова вечной мерзлоты в горах распространяются значительно южнее границ общего ее ареала на континенте. На территории США вечномерзлые толщи встречаются в Скалистых горах выше 2200-3500 м. Отдельные массивы вечной мерзлоты характерны для вершин высочайших потухших вулканов Мексики (выше 4600 м). В Южном полушарии, за исключением Антарктиды, вечная мерзлота -- это элемент природы, высокогорий. Наибольшая площадь (200 000 кмІ) -- в Южной Америке, в Андах, вечная мерзлота распространена на севере выше отметок 5000-5300 м, на юге 1500-2000 м.

Единственный материк, где вечная мерзлота отсутствует, -- это Австралия. Некоторые ледники Антарктиды, Гренландии и других ледниковых районов движутся по мерзлому основанию. Имеется еще очень много неясного, что касается распространения мерзлых толщ под ледниками. Как мы знаем, под гигантскими ледниковыми покровами Антарктиды и Гренландии возможно в ряде мест донное таяние и отсутствие мерзлого основания. И все же значительные территории Антарктиды и Гренландии заняты вечной мерзлотой, которую называют подледниковой или субгляциальной вечной мерзлотой.

Вечномерзлые толщи распространены не только на суше, но были обнаружены на шельфе приполярных морей Северного Ледовитого океана. Мощность шельфовой мерзлоты достигает нескольких сотен метров. Открытые вопросы -- как она возникла и что с ней происходит сейчас. Шельфовая мерзлота получила название субаквальной. Субгляциальная и субаквальная вечная мерзлота -- это специфические типы мерзлых толщ. Их природа станет более понятной после того, как мы рассмотрим основные особенности субаэральной вечной мерзлоты -- основного типа мерзлоты.

2. Вечная мерзлота и её структура

На континентах вечная мерзлота охватывает самые разнообразные типы рельефа -- от низменностей и равнин до высокогорий. Она распространена в различных климатических поясах и ландшафтных зонах -- от арктических пустынь и тундр до степей и полупустынь.

Общий контур вечной мерзлоты разделяется на три зоны: сплошного, прерывистого и островного распространения вечной мерзлоты.

Температура вечной мерзлоты. Температура мерзлых толщ непостоянна, она меняется с глубиной. Обычно минимальные температуры наблюдаются в приповерхностном слое вечномерзлой толщи и по мере углубления температура повышается до 0 °С на подошве Кроме того, в верхнем горизонте мерзлой толщи температура не остается стабильной во времени; она меняется в течение года, следуя за сезонами. Колебания температуры, происходящие в верхнем слое в течение года, называются сезонными колебаниями и они постепенно затухают на некоторой глубине (обычно на глубине 10-15 м от поверхности). Ниже глубины сезонных изменений температура вечномерзлой толщи остается постоянной в течение года. Среднегодовые температуры вечной мерзлоты изменяются в широких пределах, от 0 °С до ?15 °С. Широтная температурная зональность мерзлоты сочетается с вертикальной поясностью в горах, где с ростом абсолютной высоты температура вечной мерзлоты понижается.

Температуры вечной мерзлоты могут различаться на несколько градусов в зависимости от конкретных ландшафтно-географических условий. Это связано с тем, что температурный режим мерзлых толщ зависит от многих факторов природной среды -- типа растительного покрова, толщины снежного покрова и его плотности, среднегодовой температуры воздуха и континентальности климата, состава и влажности почв и т. д.

Растительность на вечной мерзлоте. Вечная мерзлота начинается не от поверхности Земли, а с некоторой глубины, изменяющейся в зависимости от географической широты, абсолютной высоты и их местных условий -- типа грунта, растительности, увлажнения и др. Толщина слоя сезонного оттаивания или как его иногда называют «деятельного слоя» меняется от 0,2-0,3 м на севере до 4-5 м на юге области вечной мерзлоты. Деятельный слой ежегодно, в теплый сезон года, оттаивает и затем осенью и зимой вновь замерзает, сливаясь с массивом вечной мерзлоты. В летние месяцы температура оттаявшего слоя, его верхних почвенных горизонтов достигает 10-15 °С. Именно благодаря слою сезонного оттаивания в зоне вечной мерзлоты возможно произрастание высших растений -- разнообразных трав, злаков, кустарничков и даже деревьев. Экологическая роль слоя сезонного оттаивания исключительно велика, в нем располагается корневая система растений, которая развивается преимущественно в горизонтальном направлении.

В северных наиболее суровых районах вечной мерзлоты распространены безлесья -- тундровый тип растительности. Однако большая часть территории с вечной мерзлотой покрыта тайгой. В Азиатском ареале вечной мерзлоты в тайге господствует особая сибирская разновидность лиственницы. На юге зоны вечной мерзлоты встречаются даже степи, которые широко развиты в Монголии.

Условия произрастания растений в области вечной мерзлоты весьма суровы -- низкие температуры, пониженная скорость почвообразования, небольшая (15-25 см) мощность плодородного горизонта, бедность почвы питательными веществами. Видовой состав растений, приспособленных к жизни на вечной мерзлоте, ограничен. У них ослаблена корневая система, наземные органы деревьев часто имеют угнетенный вид, малые размеры, чахлую крону.

Ледяная начинка вечной мерзлоты. Специфические признаки вечной мерзлоты -- это отрицательная температура и наличие льда, свойственные мерзлым толщам в течение длительного времени.

Температура создает как бы общий фон, условия для возникновения льда в грунтах. И именно присутствие льда в мерзлой толще кардинально меняет ее свойства по сравнению с исходным, немерзлым грунтом. Но с другой стороны большие массивы скальных грунтов или грунтов, насыщенных достаточно концентрированными растворами, могут иметь отрицательную температуру и при этом совсем не содержать льда. Подобные толщи получили название морозных в отличие от мерзлых, т. е. содержащих лед. Количество льда в вечномерзлых толщах разного типа неодинаково. Его содержание изменяется от долей процента, а в некоторых горизонтах и до 100%.

Наиболее разнообразные включения льда, как говорят мерзлотоведы, криогенное строение, имеют мерзлые толщи, которые до промерзания представляли собой рыхлые, несцементированные, увлажненные грунты-глины, суглинки, супеси, алевриты, в меньшей степени пески и грубообломочные грунты. Поэтому, вечная мерзлота равнин и горных впадин, сложенных молодыми толщами рыхлых грунтов, отличается более сложным криогенным строением, распределением льда, значительным содержанием разных типов подземного льда, чем горные массивы и хребты.

Подземные льды очень разнообразны. Самое большое распространение имеют лед-цемент и сегрегационный лед, представляющие основные категории так называемых породообразующих льдов.

Лед-цемент -- это мелкие, чаще всего невидимые глазом кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки в грунте Лед-цемент образуется в результате замерзания воды и сублимации водяного пара в порах и капиллярах, которые существуют в грунте до его промерзания. Этот вид льда потому и называется цементом, что он крепко цементирует отдельные минеральные частицы, непрочно связанные между собой до промерзания, в единую монолитную массу мерзлой толщи. Лед-цемент -- непременный компонент всех типов мерзлых рыхлых грунтов, он как бы создает их общий ледяной микрокаркас, на фоне которого развиваются другие, более крупные включения льда.

Сегрегационные льды образуются при промерзании влажных глинистых грунтов, когда происходит дифференциация однообразной влажной грунтовой массы на ледяные линзочки, прослои, прожилки (ледяные шлиры) и прослои глинистого грунта, сцементированного льдом-цементом. При формировании сегрегационных льдов происходит миграция воды из более глубоких слоев грунта к фронту промерзания. Таким образом, мерзлый грунт как бы обогащается льдом сверх того количества воды, которое было в нем до промерзания. При промерзании массивов твердых коренных пород лед образуется за счет воды, циркулирующей по тектоническим и иным трещинам, а также водяного пара, который, сублимируясь на холодных стенках трещин, образует ледяные щеточки и другие формы.

И все же наибольший интерес вызывают крупные включения подземного льда. Особое внимание исследователей привлекают повторно-жильные льды. Этот вид льда залегает в мерзлой толще в виде вертикальных жил или клиньев шириной до 7-8 м (рис. 44). Ледяные жилы образуют решетчатый каркас в результате пересечения двух взаимоперпендикулярных систем жил. Вертикальная протяженность ледяных жил в определенных местах достигает 10-20 м и даже более.

Самые крупные включения льда в толще вечной мерзлоты представлены не повторно-жильными льдами, а так называемыми пластовыми льдами. Они представляют собой преимущественно горизонтально или субгоризонтально ориентированные пласты льда, простирающиеся на многие сотни метров. Их вертикальная мощность колеблется от первых метров до десятков метров. Пластовый лед встречается преимущественно в верхних горизонтах мерзлых толщ (до 40-50 м), но известны пластовые льды и на больших глубинах до 100-150 м. В некоторых случаях они имеют горизонтальную слоистость, согласную с их общим простиранием, иногда пластовые льды сильно деформированы, смяты в складки так же, как и вмещающие их мерзлые грунты.

В ряде случаев пластовые льды залегают в виде крупных наклонных тел -- штоков с наклонно ориентированной слоистостью. Лед пластовых льдов либо чистый, без включений, либо содержит прослои мерзлых суглинков, песка, валунов. Среди мерзлотоведов нет единства в понимании происхождения крупных пластов льда. Есть концепция, что пластовые льды -- это погребенные ледяные образования, первоначально возникшие на поверхности Земли.

Вечная мерзлота и включенные в нее подземные льды -- результат длительного развития природы. Биография современной вечной мерзлоты начала складываться 1-2 млн лет назад. Важнейшие параметры мерзлых толщ, такие как мощность, льдосодержание, во многих районах являются реликтовыми.

Например, расчеты показали, что наблюдаемые мощности вечной мерзлоты в современных климатических условиях не могут сформироваться, они возникли при более низких отрицательных температурах. Об этом же свидетельствуют и реликтовые, не развивающиеся сейчас, гигантские повторно-жильные льды, включенные в сильнольдистые алевритовые сингенетические мерзлые толщи, широко развитые в центральной и северной Якутии. вечный мерзлота температура грунт

Контуры вечной мерзлоты за плиоцен-четвертичное время не оставались стабильными. Ареал ее неоднократно сужался и расширялся. Однако ясно одно. Несмотря на колебания, она оставалась постоянным компонентом природы Сибири и северо-востока России. Наиболее древние мерзлые толщи найдены в Колымской низменности на севере Якутии, поэтому Якутию нередко называют колыбелью вечной мерзлоты, которая и в современном ее состоянии представлена здесь наиболее полно. Следовательно, в вечной мерзлоте Якутии, существующей непрерывно по меньшей мере 600 тысяч лет, содержатся наиболее древние из обнаруженных на нашей планете льды.

Подземные льды вечномерзлых толщ оказываются, таким образом, значительно древнее льдов современных покровных ледников, даже Антарктического ледникового покрова, ледовая масса которых из-за постоянного движения полностью обновляется за десяток тысяч лет.

3. Мёрзлые грунты и их классификация

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Если неминерализованная вода замерзает при 0 °С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре.

Поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта.

Основная особенность мерзлых грунтов -- их высокая несущая способность, которую они резко теряют при оттаивании. Оттаивание верхнего слоя вечной мерзлоты может стать причиной деформации сооружения и даже его разрушения.

В районах вечной мерзлоты опасное качество приобретают пучинистые грунты, которые смерзаются с фундаментами и могут подвергать их выпучиванию. В условиях вечной мерзлоты особое значение приобретает правильный выбор участка под строительство. Наиболее пригодны площадки с сухими непучинистыми грунтами, не подверженные образованию провалов и наледей.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяются на: твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

К твердомерзлым относят грунты, характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузкой. Под действием нагрузок от сооружений такие фунты практически не сжимаются (модуль деформации Е > 100 МПа), так как сцементированы льдом.

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты с суммарной влажностью щtot > 0,03, а также песчаные и глинистые, если их температура ниже значений, приведенных в табл.1, при которых грунт переходит из пластичного в твердомерзлое состояние.

Таблица 1. Температура перехода грунта из пластичного в твердомерзлое состояние.

Пластичномерзлыми являются грунты, сцементированные льдом, но имеющие вязкие свойства и характеризуемые сжимаемостью под нагрузкой. К ним относятся песчаные и пылевато-глинистые грунты с температурой, вышеуказанной в табл. 5.8. Они характеризуются достаточной сжимаемостью (Е < 100 МПа) и вязкими свойствами.

Сыпучемерзлые -- это крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом вследствие малой их влажности. Суммарная влажность таких грунтов щtot? 0,03. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры и близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии.

В связи с тем, что мерзлые грунты состоят из твердой минеральной части, пор, льда и незамерзающей воды, то дополнительно к характеристикам талых грунтов для мерзлых определяются:

· суммарная влажность мерзлого грунта щtot, которая слагается из влажности, обусловленной включениями льда щi, и влажности между включениями льда щm. Суммарную влажность выражают в долях единицы и определяют отношением массы всех видов содержащихся в нем воды и льда (в прослойках и порах) к массе скелета грунта. Суммарная влажность определяется по формуле:

щtot = щi + щm;

· льдистость мерзлого грунта Ii-- это отношение содержащихся в нем объема льда к объему мерзлого грунта (с включением льда) и определяется по формуле:

где сi-- плотность льда, принимается равной 0,9 г/см3.

Н.А. Цытович (1973) мерзлые грунты по льдистости подразделяет на три категории: сильнольдистые, слабольдистые и льдистые.

К сильнольдистым (льдистость более 50%) относятся суглинки и глины, переходящие при оттаивании в текучее, текучепластичное или мягко-пластичное состояние. Сильнольдистые грунты обладают малой несущей способностью в оттаявшем состоянии и большой сжимаемостью.

Слабольдистые (льдистостью менее 25%) суглинки и глины приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консистенцию и обладают малой сжимаемостью.

Льдистые (льдистость 25--50%) грунты имеют свойства промежуточные между двумя выше приведенными категориями.

Количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах щщ, если отсутствуют опытные данные, допускается ориентировочно определять по формуле СниПа:

где кщ -- коэффициент, зависящий от числа пластичности Jp и температуры грунта (табл.2); щр -- влажность грунта на границе раскатывания.

Таблица 2. Значения коэффициента kщ

* Примечание. Вся вода в порах грунта не замерзает.

Мерзлые грунты, как и глины, характеризуются не только вещественным составом, но и определенным строением, т.е. размером, формой, характером пространственного взаиморасположения составных частей. Для мерзлых грунтов различают следующие основные текстуры: слитную, слоистую и ячеистую.

Рис 1. Основные виды текстуры мерзлых грунтов: а -- слитная (массивная); б -- слоистая; в -- ячеистая (сетчатая)

· Слитная (массивная) текстура (рис. 1,а) характеризуется отсутствием видимых невооруженным глазом ледяных тел (линз, прослоек и т.д.) в грунте. Грунты слитной текстуры в мерзлом состоянии обладают, как правило, высокой прочностью, а при оттаивании их прочностные свойства снижаются в меньшей степени, чем у грунтов со слоистой или ячеистой текстурами.

· Слоистая текстура (см. рис.1,б) возникает при одностороннем, медленном промерзании преимущественно глинистых грунтов, обладающих высокой влажностью. Грунты со слоистой текстурой обладают достаточно высокой прочностью, но при оттаивании их прочностные показатели резко падают.

· Ячеистая (сетчатая) текстура (рис.1,в) возникает в тех случаях, когда ледяные тела различного размера, формы и ориентировки образуют более или менее непрерывную сетку или решетку.

Из механических свойств мерзлых грунтов наибольшее значение имеют величина относительного сжатия еth при переходе мерзлого грунта в талое состояние и сопротивление сжатию (усж).

Относительное сжатие определяют путем испытания грунта в компрессионном приборе и рассматривают по формуле:

где hѓ и hth -- высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

При оценке механических свойств расчетное сопротивление сжатию (усж) засоленных мерзлых грунтов принимают по табл.3, а сцепление (с) мерзлых грунтов ненарушенной структуры дано в табл.4.

Таблица 3. Расчетные сопротивления сжатию засоленных мерзлых грунтов усж> МПа

Таблица 4. Сцепление мерзлых грунтов ненарушенной структуры при мгновенном см и длительном сд действии нагрузки, МПа

Заключение

Пространства, занятые вечной мерзлотой -- это богатейшая кладовая разнообразных природных ресурсов. Здесь сосредоточены многие богатейшие месторождения газа, нефти, угля, алмазов, золота, никеля, меди, олова, минеральных удобрений Северные районы богаты ресурсами пресной воды, леса. Огромно рекреационное значение северных территорий с их неповторимой, незагрязненной хозяйственной деятельностью человека, природой. Это также важный территориальный резерв человечества.

Без риска преувеличения можно утверждать, что рациональное освоения природных ресурсов области вечной мерзлоты невозможно без детальных знаний свойств мерзлых толщ и их использования в практических целях.

Новый этап освоения территорий вечной мерзлоты требует дальнейшего научного обоснования и мерзлотных изысканий. Для высоких широт нашей планеты вечная мерзлота -- это такое же естественное явление природы, как пустыни, степи, непроходимые джунгли для других районов. Понятие о полезности и неполезности свойств вечной мерзлоты меняется во времени, зависит от конкретных условий -- района, его ресурсов и их ценности, намерений человека, уровня техники и, самое главное, уровня знаний о сущности явления.

Использованная литература

1. Мерзлотоведение (краткий курс). Под ред. В. А. Кудрявцева. М., Изд-во Моск. ун-та, 1981 г. стр. 7,8

2. Сумгин М. И. Многолетняя мерзлота почвы в пределах СССР. Владивосток, 1927

3. Сумгин М. И., Качурин С. П., Толстихин Н. И., Тумель В. Ф. Общее мерзлотоведение. -- М.-Л. -- АН СССР, 1940.

4. http://nashaucheba.ru/v20730

Размещено на Allbest.ru