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.