Мерзлотное (криогенное) рельефообразование

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Томский государственный университет

Геолого-географический факультет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ 

Геоморфология

 

 

Тема: (Мерзлотное (криогенное) рельефообразование).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Выполнил:

              студентка   ОЗО

              __________Нестеренко К.С.

 

               Проверил:

              __________ Окишев.П.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2012

 

Оглавление

 

Введение

Морфогенез  в криосфере Земли не ограничивается деятельностью ледников. В условиях нивального и субполярного климата важное значение для развития рельефа имеют также процессы, связанные с мерзлыми грунтами — мерзлотой. Мерзлота присутствует и под ледниками, однако ощутимое влияние на рельефо-образование она оказывает за их пределами: там, где лед на земной поверхности уже растаял или климатические условия (температурный режим, количество осадков) изначально препятствовали наземному оледенению.

 

1. Общие закономерности  строения и распространения мерзлоты

Мерзлотой называют горные породы в мерзлом состоянии, т. е. грунты, имеющие температуру не выше О °С и содержащие лед.

Латеральное распространение  мерзлоты. Различают сезонную и многолетнюю  мерзлоту.

Сезонная  мерзлота существует только зимой, многолетняя — сохраняется круглый год и на протяжении многих лет. Многолетнюю мерзлоту часто называют венной. Этот образный термин не вполне точен, хотя и отражает длительность (по человеческим меркам) данного явления. Наиболее ярко и масштабно мерзлотные (криогенные) процессы проявляются в криолитозоне, т.е. в области распространения многолетнемерзлых пород. Многолетняя мерзлота особенно широко развита на севере Евразии и Северной Америки (рис. 1). В России ею занято около 2/3 всей территории — главным образом в Сибири и на Дальнем Востоке. При освоении огромных природных ресурсов этих регионов требуется детальное изучение мерзлотных условий и процессов, поскольку они очень часто оказываются решающим фактором, серьезно затрудняющим все виды строительства.

В направлении  с севера на юг в пределах криолитозоны Северного полушария по мере уменьшения площади и мощности мерзлоты выделяют три подзоны: сплошного, прерывистого и спора- дического распространения многолетнемерзлых грунтов. В подзоне сплошного распространения мощность мерзлоты измеряется сотнями метров (обычно от 100 до 500 м), местами достигая 1 км и более. Здесь мерзлые грунты с линзами подземного льда нередко наблюдаются даже на прибрежном морском дне: шельфе в море Лаптевых, Восточно-Сибирском, Карском и др. Суровые климатические условия в этой подзоне наиболее благоприятны для новообразования мерзлоты, однако и тут встречаются талики — участки отсутствия мерзлых толщ.

Талики развиты  главным образом под реками и  озерами, достаточно многоводными, чтобы  отепляющее действие воды смогло препятствовать промерзанию или вызвать значительное прота-ивание. Многие сквозные талики связаны с полноводными реками

, текущими  и транспортирющими тепло с  юга на север (Обь, Таз, Пур, Енисей и др.) и с выходом на поверхность по тектоническим разломам глубинных подмерзлотных вод. Несквозные талики представляют собой более или менее глубокую чашу протаивания в многолетнемерзлой толще. В подзоне прерывистого распространения мощность мерзлоты обычно не превышает 100 м. Талики здесь занимают гораздо большую площадь, а новообразование мерзлоты носит ограниченный характер.

 

Рис. 1. Карта распространения многолетней мерзлоты в неверном полушарии (И.С. Щукин, 1964):

1 — зона сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов; 2 — зона прерывистого распростране-ния многолетнемерзлых грунтов; 3 — зона спорадического распространения многолетнемерзлых грунтов

 

. Наконец,  южную подзону спорадического распространения можно рассматривать как область преобладающей деградации мерзлоты, унаследованной от ледниковых эпох четвертичного периода. В этой подзоне мощность многолетнемерзлого грунта не превышает первых десятков метров, а сами мерзлые участки имеют вид островов посреди свободных от мерзлоты территорий.

Таким образом, будучи во многих районах не только современным образованием, но и реликтом ледниковых эпох, многолетняя мерзлота сохраняется по сей день благодаря резко континентальному климату с продолжительной холодной и малоснежной зимой.

Рассмотренная широтная зональность многолетней  мерзлоты усложняется в горах и на плоскогорьях с высотной поясностью: с увеличением высоты климат становится холоднее и мощность мерзлых толщ возрастает. В высокогорье многолетняя мерзлота и связанные с ней формы рельефа присутствуют даже в субтропиках и тропиках — на всех континентах кроме Австралии.

1.1. Вертикальное  распространение мерзлоты.

 В вертикальном  разрезе криолитозоны выделяют три слоя (полярный покровный комплекс, по А. И. Попову, 1967). Верхний слой называется деятельным, это слой сезонного протаивания. Его мощность в целом увеличивается с севера на юг от десятков сантиметров до трех-четырех метров и зависит от теплопроводности и водопроницаемости горных пород: песчаные грунты протаивают глубже глинистых, а те в свою очередь глубже, чем торф. В деятельном слое породы регулярно переходят из мерзлого в талое состояние и обратно, что находит выражение в криотурбации — перемешивании грунта, с которым связано образование специфических форм мерзлотного микрорельефа.

Деятельный  слой подстилается мощными постоянно  мерзлыми толщами. В верхней их части (второй слой) еще происходят сезонные колебания отрицательной температуры, которые сопровождаются механическими напряжениями и растрескиванием. Еще ниже, начиная с глубины примерно 10 м, отрицательная температура пород сохраняется постоян-ной на протяжении всего года — это третий наиболее мощный слой, своего рода фундамент криолитозоны

Сезонномерзлые грунты, возникающие везде, где определенное время удерживаются отрицательные зимние температуры, по сути состоят из одного деятельного слоя. Однако протекающие в нем процессы (пучение, сортировка грунта, растрескивание и др.) не столь активны, как в деятельном слое криолитозоны, из-за отсутствия подстилающей многолетней мерзлоты, которая играет роль водоупора и влияет на распределение давления в грунте.

Развитие мерзлоты может  протекать эпигенетически (промерзает уже сформировавшаяся ранее порода) и сингенетически (формирование грунта и его промерзание происходят одновременно). Первый путь типичен для возвышенностей, где преобладает денудация, и по мере сноса коры выветривания промерзание проникает в $лубь толщи пород. Второй путь характерен для низменностей, где доминируют аккумулятивные процессы, например накопление аллювия в речных долинах.

Подземный лед  как неотъемлемый компонент мерзлых  грунтов может находиться в них в разных формах — от порового и капиллярного до крупных ледяных линз и жил. Обычно различают: лед-цемент — без скоплений рассеян между частицами рыхлой породы; сегрегационный лед — имеет вид ледяных прослоек, выделяющихся при замерзании тонкодисперсных (глинистых и пылеватых) грунтов; инъекционный лед — образуется при внедрении воды под напором в мерзлую толщу или по контакту мерзлых и талых пород; жильный лед — возникает при замерзании свободной воды в трещинах и водоносных горизонтах; полигонально-жильный лед — формируется в результате замерзания в морозобойных трещинах попавшей в них с поверхности воды. Кроме того, подземный лед может быть погребенным — это бывший наземный лед, перекрытый минеральными осадками.

2. Мерзлотные (криогенные) формы рельефа

К основным мерзлотным (криогенным) процессам относятся: морозобойное растрескивание, морозная сортировка рыхлого материала, пучение и образование наледей, морозное выветривание, криогенный крип, солифлюкция, термокарст. Большинство мерзлотных форм рельефа имеет комплексное происхождение, т.е. в их образовании принимали участие разные криогенные процессы. Криогенез протекает главным образом в двух верхних элементах полярного покровного комплекса, причем наибольшая активность связана с деятельным слоем (отсюда и его название). Поэтому по размерам мерзлотные формы обычно невелики и относятся к микро- или мезорельефу. Они располагаются на поверхности более крупных форм, которые имеют тектоническое, эрозионное или другое происхождение.

На характер криогенного рельефообразования оказывают  влияние многочисленные факторы: климат, эпигенетическое или сингенетическое промерзание, мощность и льдистость мерзлых пород, механический состав грунтов деятельного слоя, экспозиция и наклон склонов и т.д. Это приводит к тому, что мерзлотные формы одного типа, но из разных районов порой существенно отличаются друг от друга. Условия криолитозоны придают определенную специфику и другим литодинамическим процессам, таким, как эрозия, абразия, многие склоновые процессы.

2.1. Морозобойное  растрескивание.

 Происходит  при сильном и быстром охлаждении грунта, обычно в ясные зимние ночи. Глубина проникновения трещин не ограничивается деятельным слоем и может достигать 3 — 5 м и более. Сеть морозобойных трещин, как правило, имеет упорядоченные очертания, образуя рисунок полигонов (четырех-, пяти- или шестиугольники), зависящий от простирания основных элементов рельефа в данном месте (рис. 2). Поперечник полигонов может составлять от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров, реже — до нескольких сотен метров.

Наиболее крупные полигоны наблюдаются в пределах низменных приморских равнин, где более высокая влажность воздуха смягчает суточные температурные контрасты. Напротив, наиболее густая сеть трещин возникает в резко континентальных условиях. Полигональные грунты в тундре могут быть связаны и с трещинами усыхания — в этом случае они напоминают такыры аридной зоны. В теплое время года морозобойные трещины заполняются водой и разжиженным грунтом. Осенью вода замерзает, образуя ледяные клинья {жилы), которые неоднократно нарастают и значительно расширяют трещины — до первых метров у поверхности Давление растущих в ширину ледяных клиньев может привести к частичному выдавливанию вмещающего грунта вверх и образованию вдоль трещин валиков (рис. 3). Высота этих валиков обычно составляет десятки сантиметров. Поверхность валиковых полигонов вогнутая, летом там застаивается вода, способствуя более глубокому протаиванию и увеличению вогнутости.

 

Рис. 2. Полигоны морозобойного растрескивания (10 — 30 м в поперечнике) в излучине реки (И.Д.Данилов, 1990): 1 — бровка террасы; 2—3 — полигоны (2— на заболоченной поверхности террасы, 3 — на прирусловой  песчаной отмели)

 

На склонах дренаж гораздо  лучше, вода там стекает вдоль  трещин и поверхность полигонов, как правило, слабо выпуклая. Обычно вогнутые полигоны преобладают в низинах, а выпуклые чаще встречаются на более высоких элементах рельефа.. Продолжающееся сингенетическое промерзание ведет ко все большему наращиванию ледяных жил. Крупные реликтовые жилы достигают десятков метров в глубину и доминируют в разрезах; среди молодых клиньев столь значительных образований не наблюдается (рис.4). Если в данной местности климат становится теплее и полигонально-жильные льды вытаивают, то расширенные ими трещины заполняются минеральным грунтом-так возникают грунтовые жилы , представляющие собой псевдоморфозы по ледяным клиньям.

 

Рис. 3. Ледяные клинья, образующиеся в морозо-бойных трещинах и при своем росте в ширину выжимающие вмещающий грунт вверх в виде валиков, разделенных канавкой (И.С.Щукин, 1964)

 

Рис. 4. Схема расположения крупных (реликтовых) и мелких (продолжающих развитие) ледяных жил (И.Д.Данилов, 1990):

/ — ледяные жилы; 2 — льдистые иловато-торфянистые отложения; 3 — пески; 4 — почвенно-торфянистый слой; 5 — полигональная тундра

Такие грунтовые жилы в погребенном состоянии в большинстве случаев служат важным палеогео-графическим свидетельством существова-ния здесь мерзлоты в прошлом. Однако встречаются и грунтовые жилы, образовавшиеся в результате конвективных движений переув-лажненных глинистых грунтов, т.е. без участия криогенных процессов.

2.2. Морозная  сортировка.

Эта сортировка часто дополняет морозо-бойное растрес-кивание. Она неоднородна по механическому составу грунтов деятельного слоя. Результатом их совместной работы становятся каменные полигоны или, реже, каменные кольца(рис. 5). Процессы морозной сортировки происходят следующим образом. Мелкоземистые (песчано- глинистые) участки грунта, обладая большой влагоемкостью, при замерзании значительно увеличиваются в объеме. При этом они выталкивают более крупные обломки (щебень, гальку, валуны) к поверхности и по направлению к морозобойным трещинам. Многократное повторение замерзания— оттаивания постепенно приводит к отчетливо выраженной дифференциации грунта, которая обычно наблюдается лишь в верхней части деятельного слоя (до 0,5 — 0,8 м) и постепенно затухает с глубиной

.

Рис. 5. Каменные полосы (А), каменные кольца (Б), каменные многоугольники (В) (О.К.Леонтьев, Г.И.Рычагов, 1988)

 

Материал  сортируется не только в глубине, но и на поверхности. Каменные обломки, «вымороженные» на сильно увлажненную, мелкоземистую и слабовыпуклую поверхность полигона, постепенно смещаются к его периферии, образуя вдоль трещин каменные валики (бордюры) высотой в несколько десятков сантиметров. Обломки в таких бордюрах часто поставлены на ребро, что связано с воздействием ледяных игл, которые вырастают на поверхности полигона из пор увлажненного грунта в морозные ночи. Будучи эфемерными образованиями, днем прекращающими свое существование, ледяные иглы тем не менее участвуют в дифференциации материала: они вырастают перпендикулярно к щитовидно выпуклой поверхности и расталкивают обломки в направлении от центральных частей полигона, где наблюдается голый (непокрытый растительностью) мелкоземистый грунт, к его каменистой периферии.

Поперечник  каменных многоугольников обычно составляет от 0,5 до 3 — 5 м. На склонах они сменяются вытянутыми вниз каменными полосами, которые, как и каменные многоугольники, имеют «корни» из крупнообломочного материала (см. рис. 5). Морозная сортировка, сопровождающаяся «вымораживанием» камней на поверхность, наблюдается и в сезонно мерзлых грунтах: в Северной Европе и в России широко известны факты появления за несколько лет на расчищенной пашне новых мерзлотных валунов.

Если грунты деятельного слоя не содержат крупных обломков, механизм морозной сортировки приводит к образованию широко распространенной пятнистой (или медальонной) тундры. Пятна-медальоны располагаются внутри трещинных полигонов и имеют округлую или овальную форму, их поверхность глинистая и лишена растительности. Некоторые из таких пятен образуются в результате излияния на поверхность разжиженной глинистой массы, которая в ходе промерзания деятельного слоя местами оказывается под большим давлением.

2.3. Пучение и  образование наледей.

У морозной сортировки много общего с процессами криогенного пучения, однако они в большей степени связаны с замерзанием свободной воды, нежели с замерзанием сильно увлажненных мелкоземистых грунтов. Различают сезонные и многолетние бугры пучения. Сезонные бугры пучения возникают при зимнем промерзании деятельного слоя: грунтовая вода в нижней его части оказывается под давлением (снизу находится мощная постоянная мерзлота) и вспучивает над собой верхний промерзший слой. В случае большого давления может произойти взрыв и излияние воды на поверхность с образованием грунтовой наледи. Сезонные бугры пучения невелики по размерам (высота обычно не более 0,5 м при поперечнике 2 —3 м); в теплое время года ледяное ядро таких бугров вытаивает, и они разруша-

ются.

У многолетних торфяных бугров мерзлое ядро летом сохраняется благодаря низкой теплопроводности торфа (рис. 6); год от года они могут нарастать и достигают высоты в несколько метров. Менее крупные (обычно не более 1 м) многолетние бугры пучения развиваются в глинистых и суглинистых грунтах, обладающих лучшей теплопровод-ностью. Как и торфяные бугры, они часто встречаются большими скоплениями и получили название «бугров-могильников». Летом мерзлота в «буграх-могильниках» вытаивает, но насыщенный водой глинистый грунт набухает и удерживает форму небольшого холма.

Наиболее  крупные многолетние бугры пучения  образуются в пределах низменных

 

Рис. 6. Схема  строения (разрез) торфяного бугра (И.С.Щукин,1964)

 

заболоченных  участков, особенно на днище бывших озерных котловин, богатых грунтовыми водами (рис. 7). Их высота может достигать десятков метров при поперечнике основания в первые сотни метров

— это единичные  куполообразные холмы с довольно крутыми склонами и приплюснутой вершиной. Под торфяной оболочкой у таких бугров залегает ледяное ядро, с возникновением и ростом которого и связано вспучивание поверхности.

Эти крупнейшие многолетние формы пучения называют гидролакколитами из-за сходства строения с лакколитами (разно-видность интрузивных магматических структур). Часто используются также местные названия: якутское булгуннях и эскимосское пинго. Развитие гидролакколитов может продолжаться сотни лет, при этом годовой прирост составляет от нескольких до десятков сантиметров. Склоны этих холмов часто расчленены глубокими радиальными трещинами, на вершине может быть кратерообразное углубление термокарстового или, реже, взрывного происхождения

Рис. 7. Схема образования  и роста булгуннях (пинго) на дне  крупного озера до спуска из него воды (А), после спуска (Б) и через 21 год после спуска (Б) (И.Д.Данилов,  1990):

/ — талый грунт; 2 — мерзлота; 3 — ледяное ядро. Стрелками показано направление промерзания

.

В отличие  от форм пучения наледи образуются в результате излияния воды на поверхность и ее замерзания там (а не в толще грунта) в виде более или менее обширного ледяного тела. Речные наледи возникают на мелководных участках русла, которые зимой промерзают быстрее. Значительное сужение живого сечения реки создает в этом месте сильный напор, приводя к взламыванию водой речного льда. Наледи чаще возникают на сравнительно небольших реках, особенно на горных реках с обильным подземным питанием. На крупных глубоких реках равнин наледи встречаются реже, но достигают гигантских размеров, что часто приводит к катастрофическим весенним наводнениям. Пример — катастрофа на р. Лене (г. Ленек).

В течение  одной зимы наледь может наращиваться неоднократными излияниями и достигнуть мощности б несколько метров. Площадь крупнейших наледей составляет десятки квадратных километров. Такие наледи (в Якутии их называют тарынами) стаивают лишь во второй половине лета. Нередко они играют роль естественных плотин, прорыв которых приводит к паводкам и сопровождается интенсивной эрозией. Регулярно возникающие на одном и тем же месте крупные наледи способствуют фуркации русла и образованию расширенных участков поймы — наледных полян, лишенных древесной растительности.

Грунтовые наледи (наледи подземных вод) образуются в местах выхода на поверхность вод деятельного слоя или подмерзлотных вод. В первом случае наледи не достигают больших размеров и формируются только в начале зимы, пока деятельный слой еще не до конца промерз. Во втором случае источник питания постоянный (часто это сильные ключи, приуроченные к зонам тектонических разломов), и поэтому могут развиться очень крупные наледи, сравнимые по размерам и мощности с речными. Грунтовые наледи серьезно осложняют устройство и функционирование многих инженерных сооружений, особенно транспортных коммуникаций.

2.4. Морозное  выветривание.

 На плоских  вершинах гор в лишенной растительности гольцовой зоне, а также на междуречьях плато и плоскогорий в результате активного физического (температурного и морозного) выветривания развиваются щебнисто-глыбовые каменные моря. Неравномерность криогенной денудации и различия в петрографическом составе подвергающихся выветриванию пород отражаются в рельефе в виде столбообразных останцовых скал неправильной формы, получивших якутское название киги-ляхов. Наиболее широко кигиляхи развиты на гранитах, где они нередко встречаются группами. Более крупные вершинные останцы массивной формы называют тумпами.

2.5. Крип и  солифлюкция.

 На склонах  каменные моря сменяются каменными реками, обломочный материал которых медленно перемещается вниз посредством криогенного крипа и морозной сортировки. Еще шире распространены в криолитозоне процессы со-лифлюкции. Они развиты на склонах различной крутизны и происхождения и активизируются в теплое время года, когда деятельный слой оттаивает и его грунты на длительное время приобретают текучую консистенцию. В зависимости от характера солиф-люкции на склонах возникают описанные ранее натечные солиф-люкционные террасы, солифлюкционные полосы, вытянутые вниз по склону, или солифлюкционные валы, расположенные поперек к склону в его нижней части.

Солифлюкция принимает участие и в развитии таких специфических форм гольцовой зоны, как нагорные террасы (рис. 8). Эти террасы представляют собой серии выработанных в коренных породах пологонаклонных площадок шириной до сотен метров и высотой уступа от нескольких до десятков метров. Поверхность площадок покрыта чехлом рыхлого материала (глыбы, щебень, мелкозем) мощностью обычно в первые метры. Ярусы нагорных террас занимают определенные высотные уровни только б пределах данного склона; увязка по высоте ступеней на разных склонах обычно затруднена или невозможна ввиду отсутствия упорядоченности в их расположении. По мнению многих исследователей, нагорные террасы — это продукт алыпипланации (вершинного нивального выравнивания): морозное выветривание, наиболее активное у подножия склона благодаря задержке там снега (морозный забой), разрушает твердые коренные породы, а роль солифлюкции заключается в сносе рыхлых продуктов выветривания. Однако относительно происхождения и развития этих ступеней существуют и другие точки зрения.

2.6. Термокарст.

 Этот процесс,  упоминаемый ранее (в связи  с характеристикой псевдокарстовых  процессов и явлений), образуется в результате оттаивания подземных льдов, которое может быть связано с потеплением климата, ведущим к деградации многолетней мерзлоты, или с местными причинами, такими, как отепляющее воздействие водоемов, крупные пожары, хозяйственная деятельность человека и т.д. Термокарстовые формы рельефа имеют просадочное происхождение: земная поверхность проседает над образовавшимися подземными полостями.

Морфологическое проявление термокарста зависит  от общей льдистости мерзлых толщ и формы залегания подземных льдов. Кроме того, термокарстовый рельеф в большинстве случаев осложняется сопутствующими процессами: суффозией, солифлюк-цией, эрозией. В зависимости от облика и размера различают термокарстовые блюдца, воронки, провалы, ложбины, озерные ванны, котловины и другие полые формы. Наиболее крупные среди них — пологие котловины оседания, получившие якутское название ала-сов. Их поперечник может достигать нескольких километров, а максимальная глубина — 20 — 30 м. Аласы широко распространены на древних аллювиальных равнинах центральной и северной Якутии, понижения их днища обычно заняты озерами, а склоны нередко расчленены эрозионными рытвинами и оврагами.

Эрозия в  криолитозоне обычно имеет значительную термическую составляющую (отсюда термин термоэрозия). За счет теплового воздействия текучей воды на мерзлые дно и берега эрозионные рытвины и овраги часто растут очень быстро. Закладываются

эрозионные формы по трещинам полигональных грунтов  и вдоль термокарстовых углублений. После вытаивания ледяных клиньев  образовавшиеся рвы быстро расширяются водой, превращаясь в овраги, тогда как центральные части полигонов сохраняются в виде небольших холмов высотой в несколько метров. Такие холмы известны под якутским названием байджарахи. Сильно расчлененный бугристо-овражный рельеф байджарахов представляет собой своеобразный бедленд криолитозоны. Развитие речных долин в криолитозоне имеет ряд характерных особенностей. Летом полноводность рек резко возрастает, соответственно возрастает и их эрозионная способность. Речные долины быстро расширяются, участки поймы превращаются в невысокие надпойменные террасы. Склоны речных долин, обращенные на север, летом протаивают слабее и поэтому

дольше сохраняют  свою крутизну, чем склоны южной  экспозиции, на которых активнее протекает солифлюкция.

В криолитозоне в береговых частях морей и  озер абразионные процессы также имеют термическую составляющую, т. е. существует термоабразия. У подножия абразионного уступа за счет теплового воздействия воды на береговые подземные льды вырабатывается ниша вытаивания. Рост этой ниши приводит к обрушению уступа и его более быстрому отступанию, нежели в случае одной только механической абразии.

Таким образом, в связи с широким распространением сезонных и многолетнемерзлых пород криогенные процессы оказывают значительное прямое и косвенное влияние на развитие мор-фоскульптуры земной поверхности

 

 

 

Заключение

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Геоморфология:  Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / С. Ф. Болтрамович, А. И.Жиров, А. Н. Ласточкин и др.; Под ред. А. Н.Ласточкина и Д. В.Лопатина. — М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 528 с.