Воды деятельного слоя в мерзлых породах

Как указано выше, почвенные воды зимой промерзают. Промерзание в условиях сурового климата может захватывать настолько большие толщи земной коры, что в течение короткого лета оттаивает только незначительная часть промерзшей породы. Чем ниже средняя годовая температура, тем глуб­же промерзает грунт и тем менее толстый слой его оттаи­вает летом.

В связи с многолетними и вековыми колебаниями клима­та глубина промерзания почвы и подпочвы не одинакова не только в отдельные годы, но и в отдельные десятилетия и столетия. В северных широтах после ряда суровых зим глубина промерзания бывает настолько значительной, что в последующие годы относительного потепления оттаива­ние мерзлых грунтов происходит в течение целого ряда летних сезонов; такого рода промерзания почвы и под­почвы получили в народе название «перелетки». Однако периоды похолодания климата данной местности могут длиться не одно, а несколько десятилетий. Тогда и мерзлые грунты, мощность которых нарастала в течение многих лет, оттаивают только после длительного многолетнего потепления. В таком случае говорят о многолетней мерзлоте.

Наконец, похолодания могут длиться веками и на ликви­дацию последствий векового, или вечного, промерзания требуется столь же вековое потепление.

В результате климатических колебаний, даже в течение жизни немногих поколений, можно наблюдать колебания границ распространения многолетних и вековых промерза­ний. Так, например, с первой половины XIX в. область распространения мерзлоты в бассейне Печоры резко ото­двинулась к северу; за этот период среднегодовая темпера­тура в районе Баренцева моря поднялась на несколько градусов.

По длительности промерзания поверхностных толщ зем­ли различают следующие разновидности мерзлоты:

1. Сезонная (менее одного года)
2. Перелетковая (промерзание до десяти лет)
3. Многолетняя (промерзание до 10 десятилетий (менее одного века))
4. Вековая (или вечная) (промерзание в течение многих столетий, тысячелетий и даже геологических веков)

Естественно, что чем длительнее период промерзания, тем глубже промерзает земная кора, или, другими словами, тем мощнее мерзлотная толща. Мощность сохранившей­ся после последнего ледникового периода промерзлой тол­щи вдоль побережья арктического океана более 600 м, а в бассейне р. Вилюй более 1000 м.

Различают несколько видов мерзлоты:

1. Сухая — промерзает горная порода, содержащая в порах и пустотах только парообразную влагу; в них наблюдается подобие изморози или инея;
2. Льдистая — в порах и пустотах породы замерзает жидкая (гравитационная) вода;
3. Мокрая — насыщающий породу рассол или соленая вода, обладает отрицательной температурой (как это было обнаружено рядом буровых скважин в приарктических районах).

Вечная мерзлота занимает до 49% территории России. В европейской части России она захватывает сравни­тельно небольшой участок к западу от Уральского хребта в бассейне р. Печоры. Восточнее Урала южная граница вечной мерзлоты вначале проходит почти в широтном направ­лении примерно до широты г. Туруханск, затем круто поворачивает на юг — юго-восток, пересекает границы России, уходит в Монголию, несколько южнее 50-й широты, вновь появляется в пределах России в районе Благове­щенска.

Наиболее верхний слой вечной мерзлоты, оттаивающий в течение лета, получил название деятельного слоя; причем, чем южнее, тем больше оттаивающая толща. Ниже толщи летнего оттаивания располагается вечная мерзлота, кото­рая наблюдается одинаково и зимой и летом.

Вечная мерзлота может быть представлена сухими про­мерзшими грунтами, если эти грунты не содержали в себе гравитационной воды до момента замерзания; если почва была насыщена водой, то здесь мы наблюдаем линзы льда и мерзлого грунта. Количество льда в мерзлом грунте и характер его залегания зависят от условий водоносности данного грунта. Если представим себе замерзшую водонос­ную толщу песка и какой-нибудь пещеристой, разбитой тре­щинами породы, то сочетания льда и грунта в них будут различными. Поверхность вечномерзлого слоя в момент максимального оттаивания почвы летом очень неровна и на сравнительно небольших расстояниях глубина оттаивания колеблется в значительных размерах. Впервые это было обнаружено при изысканиях железнодорожного пути Забайкальской ж. д. Объясняется подобное явление как различной теплопроводностью песчаных, глинистых и торфянистых наносов, так и некоторыми другими причи­нами (высотой снежного покрова и др.).

Исследования в области мерзлоты устанавливают иногда чередование мерзлых и талых слоев (слоистую мерзлоту). Так, при разведке зимой удается установить слой мерзлоты с поверхности земли как результат зимнего промерзания почвы, далее слой грунта, несущий жидкую воду. Водоупор­ным ложем для последнего служит опять толща мерзлоты, под которой устанавливается второй слой грунта с жидкой водой, подстилаемый новой толщей мерзлоты. Естественно, что режим подземных вод в этих условиях весьма отличается от режима в нормальных условиях существования грунта, не промерзающего па столь большую глубину. На крайнем севере проморожены грунтовые и часть артезианских вод, южнее только грунтовые воды. На южных окраинах мерз­лоты наблюдается островное промерзание лишь части грун­товых вод, а также мертвого горизонта (зоны аэрации).

Причиной существования вечной мерзлоты можно счи­тать как общее низкое состояние температуры для района вечной мерзлоты (средняя годовая температура значительно ниже 0° С), так в некоторых случаях и режим твердых осад­ков зимой. На участках поверхности земли, где в течение зимы происходит навевание значительных толщ снега, мощная мерзлота отсутствует, хотя во всем районе она и наблюдается. Наоборот, на участках поверхности земли, с которых весь снег сдувается ветрами, устанавливается мощная мерзлота даже при условиях отсутствия ее в окру­жающей местности с нормальным покровом снега. Не про­мерзает ложе крупных не промерзающих зимой до дна рек и озер.

Однако местные причины играют большую роль только вблизи южной границы распространения мерзлоты. В более северных частях ее, где толща мерзлого слоя достигает многих десятков метров, они уже играют менее значитель­ную роль. Здесь, по-видимому, вечная мерзлота — насле­дие бывшего оледенения.

Вечная мерзлота широко распространена и в Северной Америке, где она занимает громадные площади в Канаде и на Аляске.

За пределами указанных выше областей вечная мерзлота известна в горных областях на высотах, где средняя годовая температура держится ниже 0° С. Так, например, вечная мерзлота обнаружена к югу от оз. Иссык-Куль на высоте около 3200 м, на тянынанских сыртах, на Памире в районе оз. Кара-Куль на высоте около 3600 м и в других местах.

Таким образом, в области развития вечной мерзлоты мы имеем в глубине как воду в мерзлом состоянии, так и в по­стоянно жидком. В поверхностных слоях вода наблюдается в твердом состоянии зимой и в жидком летом. Следует отме­тить, что замерзание подземной воды происходит не всегда при 0° С. Если грунт насыщен только пленочной и капил­лярной водой или водой соленой, то возможно значи­тельное его переохлаждение.

В условиях вечной мерзлоты питание рек подземными водами также имеет своеобразные особенности. Иногда, но не всюду, реки обладают слабо выраженными весенними половодьями и летом резкими колебаниями уровня, что связано с хорошим поверхностным стоком летних осадков, инфильтрация которых затруднена мерзлотой грунта. Реки, находящиеся вне районов мерзлоты, обладают часто высоким половодьем и сравнительно высокой меженью.

Н.  И. Толстихин выделяет в районах распространения вечной мерзлоты три группы вод:

1. надмерзлотные;
2. межмерзлотные;
3. подмерзлотные.

Надмерзлотные воды имеют очень большое значение для растительности края. В зависимости от толщины оттаиваю­щего летом слоя здесь возможно развитие более или менее обильного растительного покрова (почему этот слой часто носит, как это указывалось выше, название деятельного слоя).

Межмерзлотные воды приурочены к талым прослоям в толще мерзлоты. В некоторых случаях они не являются совершенно изолированными мерзлотой сверху и снизу, а соединяются ходами как с надмерзлотными, так и с подмерзлотными водами.

Подмерзлотные воды располагаются в слоях, подстилаю­щих вечную мерзлоту. В более северных широтах они зале­гают в коренных породах, а в более южных развиты и в на­носах (в речных долинах, в аллювии).

Замерзая, вода деятельного слоя, а также вода межмерзлотная и подмерзлотная расширяется в объеме и вызывает различные явления: вспучивание грунтов, трещины в них и излияние на поверхность воды, замерзающей в виде бугров (наледей). Наледи имеют обыкновенно выпуклую форму. Площадь и высота наледей зависят от мощности изливаю­щейся водной струи. Иногда наледи занимают площади во много квадратных километров.