Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Часть I
1. Введение в геокриологию
1.1. Предмет геокриологии; понятия и термины;
строение криосферы Земли
Почти две трети территории России занято многолетнемерзлыми толщами горных пород, многие крупные месторождения полезных ископаемых находятся в криолитозоне. На мерзлых грунтах строятся крупные промышленные и гражданские объекты, прокладываются различные виды линейных сооружений, словом, идет интенсивное освоение северных территорий. В связи с этим специалисты нефтегазового комплекса должны быть подготовлены для работы в суровых северных условиях и иметь представление об особенностях развития, динамике мерзлых толщ и их взаимосвязи с подземными и поверхностными водами.
Наука, которая занимается изучением закономерностей формирования, развития и существованием во времени и пространстве мерзлых горных пород, их состава, строения, геологических процессов, связанных с отрицательными температурами, называется геокриологией. Этот термин предложил П.Ф.Швецов (1955) вместо существовавшего тогда термина «мерзлотоведение», производного от «мерзлоты». Основатель мерзлотоведения как самостоятельной науки Михаил Иванович Сумгин (1873-1942) кратко определил его как учение о вечной мерзлоте и мерзлых грунтах, т.е. нахождение горных пород в мерзлом состоянии длительное время, по сути, вечно по сравнению с продолжительностью человеческой жизни. Более общая задача геокриологии – изучение мерзлой зоны литосферы, или криолитозоны. Криолитозона – это часть земной коры, в которой горные породы (почвы, грунты) имеют отрицательную температуру вне зависимости от наличия и фазового состояния воды в ней. Криолитозона входит в состав криосферы Земли, которая (по В.И.Вернадскому) представляет собой такую термодинамическую оболочку, в которой одновременно при отрицательных температурах могут существовать лед, вода и пар. Криосфера включает в себя помимо криолитозоны значительную часть атмосферы (до высот 100-120 км), а также поверхность льда суши, морей и океанов.
Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород (Романовский, 1983). Мерзлые породы имеют отрицательную или нулевую температуру (°С), в них вся вода или какая-то ее часть находится в твердом состоянии, т.е. перешла в лед. Морозными называют сухие, не содержащие воды породы с отрицательной температурой. К ним относятся монолитные магматические образования, грубообломочные отложения, находящиеся в воздушно-сухом состоянии и пр. Распространение морозных пород в природе весьма ограничено. Охлажденными принято считать породы, имеющие отрицательную температуру и насыщенные высоко минерализованными водами. В настоящее время такие грунты и горные породы многие исследователи называют криопэгами, а воды – криогалинными.
По длительности существования в мерзлом состоянии почвы, грунты и горные породы подразделяются на следующие три типа: кратковременно мерзлые, сезонно мерзлые и многолетнемерзлые.
Кратковременно мерзлое состояние почвы возникает в южных широтах, где среднесуточная температура воздуха в зимний период редко опускается ниже 0С, поэтому мерзлое состояние почвы длится всего лишь несколько часов, реже суток.
Сезонномерзлое состояние почвы и грунтов продолжается несколько месяцев и на некоторой глубине может наблюдаться до конца теплого периода. Продолжительность сезонного промерзания зависит от широты, долготы и высоты местности, а также других географических условий.
Многолетнемерзлое состояние породы может длиться без перерыва многие годы, века, тысячелетия. Условно принято считать многолетнемерзлыми породы, не оттаивающие на протяжении 2-3 и более лет. Такие породы и составляют основную часть многолетней криолитозоны, или просто криолитозоны. В то же время, слой сезонномерзлого грунта (породы), не протаявший полностью в течение летнего периода и переходящий в мерзлом состоянии в следующую зиму, называют перелетком. Иногда перелетки существуют несколько лет.
Многолетняя криолитозона явление зональное как в общегеографическом смысле, так и геологическом. Пространственное распространение мерзлых толщ определяется широтой местности, высотой ее над уровнем моря, глубиной от дневной поверхности и историей геологического развития региона. Мощность криолитозоны (с юга на север) изменяется от единиц до многих сотен метров. Максимальная вскрытая мощность криолитозоны в северном полушарии равняется 1450 м (Западная Якутия, бассейн р.Мархи). В высокогорьях, а также в пределах Антарктического щита глубина промерзания горных пород может быть значительно больше. В недалеком геологическом прошлом, в плейстоцене, в периоды длительных похолоданий климата, многолетнее промерзание земной коры на Евро-Азиатском континенте, по мнению некоторых исследователей, могло достигать глубины нескольких километров.
Среднегодовая температура криолитозоны, определяемая на подошве слоя сезонного оттаивания или при разовых замерах на глубинах 10-20 метров, где температура постоянная в течение года, также явление зональное. Она изменяется от нуля – вблизи южной границы распространения многолетнемерзлых пород, до минус 10-150С на арктическом побережье Северо-Востока России.
Площадь распространения криолитозоны занимает около 25% поверхности суши Земли и почти 2/3 территории нашей страны. В России многолетнемерзлые породы (ММП) развиты на севере Европейской части (Кольский полуостров, побережье Баренцова моря), на полярном и северном Урале, на севере обширного Западно-Сибирского региона (примерно к северу от широтного направления р.Оби), охватывает большую часть Востока и почти всю территорию Северо-Востока Сибири, северные районы Дальнего Востока и Камчатки. Она распространена в горах Алтая, Саянах, Тянь-Шаня (рис 1.1).
По сплошности мерзлой зоны в плане выделяют районы сплошного, прерывистого и островного ее развития. Вблизи южной границы криолитозоны ММП образуют изолированные острова, площадь которых к северу увеличивается, отдельные острова мерзлоты сливаются в крупные массивы, разделенные немерзлыми (таликовыми) зонами и, наконец, образуются сплошные мерзлые толщи, охватывающие громадные территории. Принято считать, что если ММП в регионе занимают более 90% площади, то говорят о сплошном распространении мерзлых толщ; от 50 до 90% – прерывистом, менее 50% – островном. C позиции гидрогеологии, в которой мерзлые толщи рассматриваются в качестве водоупора (криогенного), разумнее выглядит предложение С.М.Фотиева (1978), он выделяет многолетнемерзлые толщи (ММТ) островного – менее 5, прерывистого – 5-95 и сплошного – более 95% распространения.
Существуют и другие классификации (табл. 1.1).
Островные и прерывистые ММТ приурочены к южной, а сплошные к северной геокриологическим зонам (по Романовскому, 1983).
Рис.1.1. Карта распространения ММП в СССР (К.А.Кондратьева, 1976):
1 – зона редкоостровного, островного и массивно-островного распростране-ния ММП со среднегодовыми температурами (tср) от +3 до -10С и мощностью от 0 до 100 м; 2 – 5 – зона сплошного распространения ММП: 2 – -1÷-30С и 50÷300 м; 3 – -3÷-50С и 100÷400 м; 4 – -5÷-90С и 200÷600 м; 5 – <-90С и 400-900 м и более; 6 – граница зон ММП; 7 – южная граница криолитозоны.
Мерзлые породы могут залегать на различной глубине от дневной поверхности. Многолетнемерзлые толщи, кровля которых совпадает с нижней поверхностью сезонно талого слоя (СТС), называются сливающимися мерзлыми толщами, если же их верхняя поверхность находится постоянно ниже глубины максимального сезонного промерзания, они называются несливающимися мерзлыми толщами.
Таблица 1.1.
Характеристика мерзлой зоны по степени ее распространения в плане
(Общее мерзлотоведение, 1974)
|
Мерзлая зона |
Градация |
Сплошность, % |
|
1.Сплошная 2. Прерывистая 3. Островная |
1.1. Сплошная 1.2. Преимущественно слошная 2.1. Прерывистая 3.1. Островная 3.2. Редкоостровная 3.3. Спорадическая |
90-100 70-90 40-70 20-40 5-20 менее 5 |
Толщи горных пород по типу промерзания делятся на эпигенетически и сингенетически промерзавшие. К первым относятся такие горные породы, которые перешли в многолетнемерзлое состояние после завершения процесса осадконакопления; сингенетически промерзавшие отложения сформировались на мерзлом субстрате и промерзли синхронно с процессом накопления осадка.
На территории Западно-Сибирского региона ММТ залегают как непосредственно с поверхности (под сезоннооттаивающим слоем), так и на значительной глубине (реликтовые ММТ). Многолетнемерзлые породы, залегающие с поверхности, развиты на севере; их южная граница проходит примерно по параллели 61 с.ш. Площадь, занимаемая ММТ, превышает 1 млн.км2.
В пределах Западно-Сибирской равнины выделяются три зоны распространения ММТ: 1) сплошного; 2) прерывистого по площади; 3) потенциального (Баулин, 1985).
Зона сплошного распространения многолетнемерзлых пород охватывает Тазовский, Ямальский и Гыданский полуострова, низовья рек Пур, Таз и Енисей. Она приурочена к тундре и северной части лесотундры; южная граница проводится по параллели 66 с.ш. ММП развиты здесь даже в пределах прибрежной мелководной части Карского моря и прибортовых участков эстуарий крупных рек. Мощность криолитозоны в северных районах достигает 400-500 и, возможно, более метров. Температура пород изменяется в пределах минус 3-7С.
Зона прерывистого распространения ММП охватывает южную часть лесотундры, всю северотаежную подзону, северную часть среднетаежной подзоны и простирается до 61° с.ш. На севере этой зоны мерзлые породы занимают свыше 50% площади, на юге они имеют островное распространение.
Температура горных пород в зоне прерывистой «мерзлоты» изменяется от положительных до отрицательных значений: от +1+2 до -2-4°С, реже ниже.
Зона потенциального развития мерзлых толщ с юга ограничивается 56° с.ш. Для этой зоны характерно относительно глубокое промерзание грунтов, а в суровые малоснежные зимы – образование перелетков мерзлых пород. Наиболее вероятно их образование при хозяйственном освоении территории.
В зонах прерывистого и потенциального распространения мерзлых толщ на глубинах в десятки (на севере) и даже сотни (на юге) метров, под слоем талых пород залегают реликтовые мерзлые породы. Широкое распространение заглубленной реликтовой мерзлоты – отличительная особенность криолитозоны Западной Сибири. Глубокозалегающие реликтовые мерзлые толщи вскрываются скважинами далеко за пределами южной границы распространения мерзлых толщ, залегающих с поверхности.
Таким образом из изложенного выше следует: а) на севере криолитозоны Западной Сибири развиты сплошные по вертикали мерзлые толщи мощности до 400-500 м; б) в средней части криолитозоны мерзлые породы имеют двухярусное строение: вверху залегают современные (голоценовые), а ниже, под талым горизонтом мощностью от нескольких десятков до первых сотен метров – древние (плейстоценовые мерзлые толщи); в) на юге криолитозоны Западной Сибири многолетнемерзлые породы существуют только на больших глубинах 200-300 м).
1.2. История исследований криолитозоны.
В истории развития геокриологии (мерзлотоведения) можно выделить несколько этапов.
Первый этап, или предыстория (XVI – первая половина XVIII века) характеризуется обнаружением мерзлоты и первыми попытками объяснения ее существования. Аборигены арктических земель и Восточной Сибири несомненно знали о существовании мерзлых пород, с ними они непосредственно сталкивались в повседневной жизни и даже использовали в практических целях вечный холод земли. В литературе же первые сведения о мерзлоте (которую на западе называли «русским сфинксом») стали появляться лишь с конца XVI века. В это время усилились поиски русскими людьми северного морского пути из России в Китай (Общее мерзлотоведение, 1974). В сочинении 1598 г. «Описание чего ради невозможно от Архангельского города морем проходити в Китайское государство и оттоле к Восточной Индии» уже содержатся сведения о наличии многолетних льдов на Новой Земле и говорится о влиянии холодного климата («стужи») на их формирование.
В XVII веке в связи с продвижением русских землепроходцев на Восток и Север Сибири в Москву стали поступать сведения о мерзлых породах. Так в 1640 г. якутские воеводы Петр Петрович Головин и Матвей Богданович Глебов сообщали: «А в Якутцком-де, государь, по сказкам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни нечаять; земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает…». Без пашни, как известно, нет и хлеба, а, значит, для пропитания царских подданных необходимо было ежегодно направлять продовольственные обозы из западных регионов империи.
Известный участник Сибирско-Тихоокеанской (Великой Северной) экспедиции XVIII века Иоганн Георг Гмелин из рассказов якутских жителей узнал, что уже в 1685-1686 гг. казаки-устюжане вырыли шахтный колодец глубиной более 30 м (Швецов, 1981). Инициатор этого дела воевода Матвей Осипович Кровков сообщил в Москву «А колодезя, великие государи, в Якуцком сделать никоими мерами нельзя, потому что земля летом тает в полтора аршина, а больше двух аршин земля никогда не тает, а в исподнее на дне земля всегда мерзла». Однако и сам И.Г. Гмелин, вероятно, нетвердо верил рассказам сибирских казаков, поскольку его отчет о сибирской поездке (1752 г.) не убедил известных западных испытателей того времени в наличии на таких глубинах беспрестанно мерзлых пород. Даже спустя 75 лет после названной публикации, немецкий академик Леопольд Бух писал: «Показания казаков не должно было бы помещать в учебниках для подкрепления столь странного и невероятного факта». (Швецов, 1981, стр.180).
Западноевропейские ученые до середины XIX в. не верили в возможность многолетнего глубокого промерзания литосферы, хотя еще в 1757 г. Михайло Васильевич Ломоносов в своей работе: «Слово о рождении металлов от трясения земли» убедительно объяснил закономерность глубокого промерзания подпочвы. Им заложено начало учения о теплообороте между земной корой и атмосферой.
Следующий этап охватывает период со второй половины XVIII по первую половину XIX вв. Продолжается накопление фактического материала по мерзлым породам различных районов Сибири, Якутии, Забайкалья, на побережье моря Лаптевых и Новосибирских островах. В исследованиях принимали участие Алексей Евдокимович Фигурин, Адольф Эрман, Петр Федорович Анжу, Фердинанд Петрович Врангель, Федор Федорович Матюшкин, Александр Федорович Миддендорф, Прокопий Тарасович Козьмин и др.
Стимулом к формированию и развитию геокриологии явилось неслыханное достижение практики – проходка в толще мерзлых пород шахты глубиной более 116 м. В г.Якутске в 1828 г. под руководством служащего Русско-Американской компании Федора Егоровича Шергина начали вести работы по рытью колодца, копали его почти восемь лет до 1836 г., но из толщи мерзлых пород так и не вышли. Этот колодец существует и в настоящее время, он известен как «шахта Шергина».
Наука, как известно, начинается с измерений. Уже в 1829 году в стенке колодца Шергина на глубине 15,7 м А.Эрман замерил температуру многолетнемерзлых пород, которая оказалась равной минус 6 Реомюра. Позднее академиком А.Ф. Миддендорфом, проводившим геоботанические исследования Сибири в период 1843-1846 гг., выполнены детальные измерения температуры по всему стволу шахты и вычислен геотемпературный градиент. По температурному градиенту была определена мощность мерзлой зоны в размере 609 футов (около 185 м).
А.Ф.Миддендорф исследовал огромные пространства Западной и Восточной Сибири, от бассейна реки Енисей до берегов Охотского моря и собрал обширный материал по мерзлым породам. Он доказал ученым всего мира, что на обширных пространствах севера Азиатского континента, начиная с глубин 0.5-2.0 м и до глубин в десятки и даже сотни метров залегают «беспрестанно мерзлые грунты». В конце XIX в. начали изучать «мерзлоту» и в Северной Америке.
Вторая половина XIX – начало XX в. Этот этап характеризуется зарождением мерзлотоведения как прикладной отрасли знаний и связан с началом промышленного освоения Сибири – строительством Транссибирской магистрали, развитием горнодобывающей промышленности и пр. Исследования охватили обширную область Евразийского континента, острова Северного Ледовитого океана. Эти исследования связаны с именами Иннокентия Александровича Лопатина, Гергарда Людвиговича Майделя, Леонарда Антоновича Ячевского, Эдуарда Толя, Николая Семеновича Богданова, Владимира Афанасьевича Обручева, Сергея Аристарховича Подьяконова, Алексея Владимировича Львова, Михаила Ивановича Сумгина и многих др. ученых.
В 1866-1867 гг. Г.Л.Майдель изучал Северо-Восток Сибири и впервые описал огромную Кыра-Нехаранскую наледь площадью (по его оценке) около 100 км2.
В 1889 г. Л.А.Ячевский, внесший большой вклад в развитие мерзлотоведения, представил схематическую карту распространения вечной мерзлоты и ее южной границы. В этом же году Александр Иванович Воейков публикует данные о мерзлых породах в районах строительства Сибирской железной дороги. Уже в 80-х годах XIX в. данные по мерзлоте приводит И.В. Мушкетов в своих лекциях для студентов Горного института г.Санкт-Петербург. Здесь же, в С.-Петербурге, под его руководством была создана Комиссия по изучению мерзлоты. В нее вошли А.И.Воейков, В.А.Обручев, М.А. Рыкачев и К.И.Богданович. В 1895 г. этой Комиссией была выпущена инструкция по изучению мерзлой почвы Сибири.
В 1892 г. вышла работа Н.М.Козьмина, в которой он заложил основы представления о гидрогеологии горных стран в области распространения «вечной» мерзлоты.
В 1903 г. С.А.Подьяконов публикует работу «Наледи Восточной Сибири и причины их возникновения». В 1912 г. Н.С.Богданов в монографии «Вечная мерзлота и сооружения на ней» освещает способы строительства сооружений в условиях Забайкалья.
В 1916 г. была опубликована капитальная работа А.В.Львова «Поиски и испытания водоисточников водоснабжения на западной части Амурской железной дороги в условиях вечной мерзлоты почвы». Она явилась первой крупной сводкой по гидрогеологии области распространения мерзлой зоны литосферы.
Мерзлотные исследования проводились и в районах Западной Сибири: Д.А.Дранициным в 1914 г на Енисее, Б.Н.Городковым в 1924 и 1928 гг. в бассейнах Пура, Агана и на Гыданском полуострове, Б.М.Житковым в 1913 г. на Ямале, И.Я.Ермиловым в 1927 г. на Гыданском полуострове. В 30-е годы начато изучение мерзлых пород в строительных целях (Н.А.Цытович, Г.Е.Рябухин, С.Л.Кушев).
За рубежом в этот период также проводились работы по изучению подземной криосферы (Аляска, Шпицберген, Швеция и др.), но они носили эпизодический и нередко случайный характер.
Первая половина XX века в истории изучения мерзлоты является периодом становления мерзлотоведения как науки, созданной в первую очередь российскими и советскими учеными. Были начаты планомерные и целенаправленные исследования вечной мерзлоты.
Развитие хозяйственной деятельности в области криолитозоны потребовало обобщения накопленных к тому времени знаний о мерзлых породах. Эта задача была успешно решена М.И.Сумгиным, опубликовавшем в 1927 г. книгу «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР».
В 1929 г. при АН СССР была организована постоянная комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством акад. В.А. Обручева. В период с 1930 по 1936 гг. Комиссией было созвано пять совещаний по вечной мерзлоте. В 1936 г. в связи с расширением исследований в Арктике Академия наук реорганизовала КИВМ в Комитет по вечной мерзлоте, на основе которого в 1939 г. в Москве был организован Институт мерзлотоведения им. В.А.Обручева (ИНМЕРО).
В конце 20-х и середине 30-х годов столетия организуются научно- исследовательские мерзлотные станции (НИМС). Первые станции были открыты в п. Сковородино и г. Петровске-Забайкальском, находящимся на Транссибе. К середине 30-х годов в стране действовало уже более 10 станций (Институт мерзлотоведения…, 2007). Идея создания научных станций принадлежала М.И.Сумгину, который осуществлял научное руководство их деятельностью. На мерзлотных станциях организуются стационарные наблюдения, региональные исследования, изучается опыт строительства, начинаются исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов. Годы создания некоторых НИМС: 1936 – Воркутинская (ВНИМС), 1935 – Анадырская (АНИМС), 1930 – Игарская, 1941 – Якутская (ЯНИМС).
В 1940 г. Институт мерзлотоведения опубликовал первое учебное пособие по мерзлотоведению – «Общее мерзлотоведение» (М.И.Сумгин, С.П. Качурин, Н.И.Толстихин, В.Ф.Тумель, под редакцией В.А.Обручева). В 30-40-е годы М.И.Сумгин начинает читать лекции по мерзлотоведению в Ленинградском горном институте и Ленинградском государственном университете. В Московском университете подобный курс лекций читали А.Е.Федосов, С.С.Морозов, Н.Ф.Полтев и др. После Великой Отечественной войны в МГУ сначала на геологическом, а потом и географическом факультетах открываются кафедры мерзлотоведения и полярных стран.
Большой объем геокриологических исследований выполнен на северо-востоке Западной Сибири экспедициями ИНМЕРО под руководством С.П.Качурина в 1937 и А.И.Попова в 1945-1948 гг. По результатам этих работ Александром Иосифовичем Поповым составлено первое детальное описание многолетнемерзлых пород региона – «Вечная мерзлота Западной Сибири».
В 30-е годы началось становление инженерного мерзлотоведения. В 1938 г. завершено строительство крупного промышленного сооружения на вечной мерзлоте – Якутской Центральной электростанции (ЯЦЭС), проектные изыскания выполнены под руководством Н.А.Цытовича.
В довоенное время началось интенсивное изучение подземных вод криолитозоны Забайкалья, Дальнего Востока, Якутии и Амурской области. В конце 20-х – начале 30-х годов важные исследования выполнил инженер Валериан Гаврилович Петров на наледях вдоль Амуро-Якутской автогужевой магистрали. Им были разработаны и широко применялись на практике мероприятия по защите дорожного полотна от негативного воздействия наледей.
Исследованиями Н.И.Толстихина, В.М.Максимова, П.Ф.Швецова, А.И.Калабина, В.М.Пономарева и других ученых доказано существование в глубоких подмерзлотных горизонтах больших запасов пресных подземных вод. В 1937 г. Н.И.Толстихин сделал вывод о возможности существования в Центральной Якутии обширного артезианского бассейна. В 1940 г. была пробурена первая гидрогеологическая скважина, которая вскрыла пресные подземные воды на глубине 312 м.
В 1941 г. Н.И.Толстихин опубликовал первое учебное пособие по новому направлению гидрогеологии – «Подземные воды мерзлой зоны литосферы».
В годы Великой Отечественной войны и после нее, в период восстановления народного хозяйства, мерзлотные исследования проводились лишь в отдельных регионах криолитозоны.
Вторая половина XX – начало XXI в. является современным этапом в истории геокриологических исследований и характеризуется дальнейшим интенсивным развитием науки.
В 50-60-е годы расширяется круг геокриологических исследований в Западной Сибири, в которых наряду с экспедициями Академии наук принимают активное участие специализированные отряды научно-исследовательских организаций и партии территориального геологического управления. В это время установлено наличие реликтовых и двухслойных толщ в южной части криолитозоны Западной Сибири (А.А.Земцов и В.В.Баулин). В скважинах глубокого бурения в комплексе геофизических исследований часто проводились температурные измерения, выполнявшиеся различными организациями. Сведения о температуре мерзлых пород содержатся в работах А.И.Попова, В.М.Пономарева, В.Ф.Жукова и Н.И. Салтыкова и др. авторов (Геокриология СССР…, 1989). Большое внимание при геокриологических исследованиях уделялось изучению криогенного строения мерзлых толщ, подземным льдам и криогенным явлениям (Попов А.И., Пчелинцев А.М., Баулин В.В., Соломатин В.И., Шполянская Н.А., Катасонов Е.М., Втюрин Б.И., Дубиков Г.И. и др.).
В 1956 г. Институтом мерзлотоведения созывается VII Межведомственное совещание по мерзлотоведению, в котором участвовали представители 84-х научных и производственных организаций из многих городов страны, в том числе Норильска и Магадана, где велись мерзлотные исследования. В 1959 г. ИНМЕРО выпустил капитальный труд «Основы геокриологии (мерзлотоведения)» в двух томах, а через два года – методическое руководство «Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования».
В 1961 г. в Якутске, на базе отделения Московского института мерзлотоведения создается самостоятельный институт с тем же названием, который вошел в состав Сибирского отделения Российской Академии наук, а подразделения ИНМЕРО вошли в состав проектных и научно-исследовательских институтов Госстроя СССР. В настоящее время Якутский Институт мерзлотоведения СО РАН носит имя первого директора академика П.И.Мельникова (1908-1994).
В 60-80-е годы прошедшего столетия проводились обширные мерзлотно-гидрогеологические и инженерно-геокриологические исследования во всех районах развития криолитозоны Сибири, где велось строительство автомобильных и железных дорог, газо- и нефтепроводов, возводились гидротехнические сооружения на вечной мерзлоте, создавались крупные горно-обогатительные комбинаты и многие другие разномасштабные сооружения государственного или ведомственного значения. Научные результаты, полученные в результате проведения широкомасштабных исследований, нашли отражение в 28-и выпусках «Мерзлотные исследования» МГУ, трудах ученых Института мерзлотоведения СО РАН, десятках научных монографий и статей специалистов самого различного профиля.
В 90-е годы прошедшего столетия по известным причинам произошел резкий спад в проведении полевых геокриологических исследований по всей стране, но накопленный фактический материал, полученный в предыдущий период, позволил ученым-мерзлотоведам его детально проанализировать.
Крупным обобщением геокриологических материалов явились следующие работы: 5-томная монография «Геокриология СССР» (1988-1989) и «Геокриологическая карта СССР» масштаба 1:2 500 000 (1997); вышли в свет шесть томов монографии «Основы геокриологии», подготовленные учеными Московского государственного университета, включающих в себя: «Физико-химические основы геокриологии» (1995); «Литогенетическая геокриология» (1996); «Региональная и историческая геокриология Мира» (1998); «Динамическая геокриология» (2001); «Инженерная геокриология» (1999); и «Геокриологический прогноз и геоэкология» (2002).
Широкий спектр научных и прикладных работ по различным направлениям геокриологии и смежным наукам ведется в региональных отделениях Академии наук: в Институте мерзлотоведения СО РАН им. акад. П.И.Мельникова (г.Якутск) и Институте криосферы Земли СО РАН (г.Тюмень). Нужно отметить, что ни одно более или менее крупное строительство в криолитозоне не начинается без проведения предварительных мерзлотно-гидрогеологических изысканий и составления геокриологического прогноза.
Достигнуты большие успехи в области гидрогеологии мерзлой зоны: разведаны и эксплуатируются крупные месторождения пресных подземных вод, детально исследованы многочисленные талики и наледи, широко используются разработанные в последнее время методы защиты инженерных сооружений от негативного влияния различных криогенных процессов (в первую очередь наледеобразование и термокарст). Значительные площади территории распространения многолетнемерзлых толщ покрыты мерзлотно-гидрогеологической и инженерно-геологической съемкой среднего масштаба. Крупным достижением гидрогеологической науки является многотомное издание «Гидрогеология СССР», законченное к началу 80-х годов, в котором отражены результаты региональных исследований криолитозоны.
В конце 60-х годов началось плодотворное международное сотрудничество мерзлотоведов, которое выразилось в обмене опытом исследований и результатами работ на научных конференциях. Первая из них была проведена в 1963 г. (США, Лафейт), но тогда в ней участвовало всего несколько ученых из Советского Союза. Большое количество участников собрала Международная конференция по мерзлотоведению (МКМ) в 1973 г. (г. Якутск), которая положила начало кооперации ученых в этой области. На ней было представлено более 250 докладов ученых из всех северных стран. На этой конференции с инициативой создания международной ассоциации по мерзлотоведению (МАМ) выступил директор Института мерзлотоведения СО АН СССР П.И.Мельников. В 1985 г. Павел Иванович стал ее первым президентом. Под эгидой МАМ международные конференции стали проводиться регулярно раз в 5 лет; в 2008 г., на Аляске состоялась IX МКМ.
Кроме зарубежных конференций Российские ученые имеют возможность выступать с новыми результатами исследований ежегодно на федеральном и региональном уровне.
Таким образом, во второй половине прошедшего столетия геокриология стала общепризнанной быстро развивающейся наукой.
Начало XXI века ознаменовалось новым импульсом развития геокриологических исследований, проводимых в нефтегазовом комплексе, при разработке горнорудных комбинатов, строительстве магистральных автомобильных и железных дорог, а также в связи с требованиями охраны природной среды.
1.3. Структура современной геокриологии и ее связь с другими
науками
Геокриология – наука геологического цикла, она связана со многими разделами геологии: литологией, гидрогеологией, тектоникой, четвертичной геологией, геофизикой и пр. В то же время мерзлая зона литосферы формировалась при определенных физико-географических условиях, существующих на поверхности Земли, поэтому геокриология должна использовать достижения метеорологии, гидрологии, океанологии, гляциологии и др. наук географического профиля.
Практические направления геокриологии связаны с запросами промышленного и гражданского строительства, вследствие чего она использует методы технических и физико-математических наук.
В настоящее время развитие геокриологии осуществляется по следующим основным направлениям:
- Физика, химия и механика мерзлых пород;
- Динамическая геокриология;
- Литогенетическая геокриология (или криолитология);
- Региональная и историческая геокриология;
- Инженерная геокриология;
- Геокриологический прогноз и геоэкология криолитозоны;
- Планетарная криология.
Физика, химия и механика мерзлых пород. Задачей этого направления является изучение закономерностей протекания физико-химических, механических и теплофизических процессов в мерзлых, промерзающих и оттаивающих горных породах. Физика, химия и механика мерзлых пород в целом является важнейшей теоретической базой для всех других направлений.
Динамическая геокриология изучает тепловое состояние Земли и факторы, влияющие на его изменение. Прямой задачей динамической геокриологии является рассмотрение процессов, приводящих к формированию сезонно- и многолетнемерзлых пород. Разработка термодинамических и теплофизических основ формирования мерзлых толщ базируется на изучении теплообмена в системе «атмосфера – литосфера», радиационного и водно-теплового балансов, температурного режима и фазовых переходов влаги, содержащейся в горных породах. Другой важной частью динамической геокриологии является изучение и прогнозирование мерзлотно-геологических (геокриологических) процессов, выявляемых при региональных исследованиях.
Литогенетическая геокриология (криолитология) выявляет общие и частные закономерности формирования структурно-текстурные особенностей и строения мерзлых осадочных пород и льдов, их минералогического и химического состава. Важная роль при этом отводится учению о фациях. Понятие «фация» введено в геологию А.Гресли в 1838 г., наиболее полно отразил сущность понятия фации Д.В.Наливкин (1956). В геокриологии автором мерзлотного фациального анализа является, в первую очередь, Евгений Маркович Катасонов.
Основные задачи этого научного направления: исследование вещественного состава и структурно-текстурных особенностей мерзлых пород и льдов; выявление на основе мерзлотно-фациального анализа особенностей и закономерностей формирования различных генетических типов мерзлых отложений.
Региональная и историческая геокриология изучает зональные и региональные закономерности формирования и распространения мерзлых пород; особенности их распространения по площади и в разрезе; криогенное строение, мощность и температурный режим мерзлых толщ и подземных льдов; влияние на их образование многолетних колебаний климата, ландшафтно-геоморфологических и геологических условий; развитие и существование геологических процессов и явлений. Изучение взаимодействия мерзлых толщ с подземными водами, различными флюидами и газогидратами – также одна из основных задач, решаемых региональной геокриологией. Наряду с криолитологами специалисты рассматриваемого направления занимаются выяснением истории возникновения и развития мерзлых толщ в отдельном регионе и на всей планете в целом.
Инженерная геокриология представляет собой раздел практической геокриологии, она занята инженерно-геологическим обеспечением проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений в криолитозоне; разрабатывает наиболее надежные и экономически выгодные решения при хозяйственном освоении территории.
Вопросы теплофизического и механического взаимодействия инженерных сооружений с мерзлыми, промерзающими и протаивающими грунтами решаются на основе разработок инженерной теплофизики и механики грунтов.
Геокриологический прогноз и геоэкология криолитозоны. Задачами этого направления являются выяснение характера взаимодействия объектов строительства и мерзлых пород, устойчивости компонентов природной среды к влиянию изменяющихся естественных и антропогенных факторов. В настоящее время геокриологический прогноз является обязательной составной частью исследований мерзлых пород для целей строительства, поскольку фазовые переходы воды в грунтах резко меняют их физико-механические свойства.
Усиливающиеся техногенные нагрузки на природную среду ведут к существенному негативному изменению существующих геокриосистем. Криолитозона очень уязвима в экологическом отношении, а восстановление природных ландшафтов в условиях Севера происходит весьма медленно. Последствия антропогенного воздействия на криолитозону в ряде случаев имеют слабо предсказуемый и трудно контролируемый характер, поэтому требуют безотлагательного решения сложных экологических задач.
Криология планет – одно из самых молодых направлений геокриологии, оно зиждется на достижениях астрономии и космонавтики. Познание закономерностей развития криогенных оболочек планет солнечной системы, состоящих не только из водного, но и углекислотного и метанового льда, облегчит человеку познание криогенной оболочки Земли.
PAGE 10