Морозобойное растрескивание. Полигонально-жильные льды.

Фото анонса: А.И. Кизяков

Процесс морозобойного растрескивания имеет широкое распространение в криолитозоне и является следствием температурных изменений и вызванных ими напряжений в грунте. Морозобойное растрескивание – ведущий фактор в механическом разрушении вечномерзлых горных пород и превращении их в мелкозем (так называемое морозное выветривание), а также причина появления морозобойных трещин и необходимое условие формирования полигонально-жильных льдов (рис.1).

Рис.1. Полигонально-жильный рельеф.

Открытие и изучение процесса. Впервые подземные льды как результат морозобойного растрескивания рассмотрел медик А.Е. Фигурин. Он был участником экспедиции Гидрографического департамента под руководством лейтенанта П.Ф. Анжу (1820-1823 гг.). На побережье моря Лаптевых и на Новосибирских островах А.Е. Фигурин исследовал и описал обнажения залежей подземных льдов и большинство из них отнес к жильным. По его мнению, ледяные жилы образовались в результате проникновения воды и ее замерзания в многочисленных морозобойных трещинах. Эту точку зрения разделял академик К.М. Бэр, а в 1882 г. ее поддержал А.А. Бунге.

Однако доказательство и справедливость такой теории подтвердились только во второй половине ХХ века. В 1952 г. Б.Н. Достовалов предложил первую математическую модель морозобойного растрескивания. Она позволяла приблизительно рассчитывать расстояние между трещинами и глубину их проникновения в мерзлую толщу отложений в зависимости от градиента температуры грунта, модуля упругости и коэффициента температурной деформации. По модели Достовалова, амплитуда колебаний температуры на поверхности пород оказывает влияние на размеры полигональной решетки в плане, а среднегодовая температура отложений – на глубину проникновения трещин в мерзлую породу. Чем больше амплитуда колебаний температуры, тем меньше расстояние между трещинами, тем мельче полигоны. Поэтому в условиях с резко континентальным климатом, возникают частые морозобойные трещины с расстоянием между ними от 1-2 до 10-12 м. В менее континентальных условиях образуются морозобойные полигоны с расстоянием между трещинами до 20-40 и даже 50-80 м.

Также Б.Н. Достовалов предложил последовательность образования трещин различных генераций. В однородных массивах горных пород формируется система трещин, параллельных друг другу. Затем эти трещины разбиваются поперечными трещинами на прямоугольники. При малых температурных градиентах массив распадается на крупные прямоугольные отдельности, а затем при увеличении градиента эти отдельности последовательно делятся на части трещинами следующих генераций. В неоднородных горных породах формируются полигоны сложной конфигурации с четырьмя, а иногда с пятью и большим числом сторон (рис.2).

Рис.2. Полигональная тундра в междуречье Надыма и Ныды, Лензитское месторождение. 

(фото А.И. Кизякова).

Таким образом, формирование морозобойных трещин вызвано напряжениями, которые возникают в мерзлых породах вследствие их сжатия при охлаждении. Этот процесс широко распространен в наиболее холодных районах криолитозоны и лежит в основе многих форм криогенного рельефа.

Полигонально-жильные структуры и выраженность в рельефе. Морозобойное растрескивание, как правило, сопровождается заполнением трещин водой, снегом, мелкоземом, песком или торфом и образованием полигонально-жильных структур, которые подразделяются на четыре типа: повторно-жильные льды (ПЖЛ), изначально-грунтовые жилы, первично-песчаные жилы и псевдоморфозы по ПЖЛ.

Повторно-жильные льды. Образование морозобойных трещин происходит зимой. Весной в эти трещины заливается талая снеговая вода, осенью она замерзает и в мерзлой породе образуются ледяные жилки. Летом верхняя часть жилки, находящаяся в сезонно-талом слое (СТС), оттаивает, а в подстилающих многолетнемерзлых породах ледяная жилка сохраняется. Это возможно при условии, когда глубина проникновения трещины больше глубины СТС. Из года в год морозобойное растрескивание повторяется на одном и том же месте, образующиеся трещины каждый раз вновь заполняются водой, которая в последующем замерзает. Так формируются элементарные ледяные жилки, вложенные одна в другую, что и приводит к росту ледяной жилы в ширину.

Повторно-жильные льды могут образовываться как в сформировавшихся ранее породах в результате увеличения суровости мерзлотных условии (эпигенетически), так и одновременно с накоплением отложений (сингенетически). Концепцию сингенетического роста полигонально-жильных льдов выдвинул и доказал А.И. Попов, объяснив тем самым размеры ПЖЛ, которые могут достигать вертикально 40-60 м и более (при ширине 6-8 м в верхней части). Получается, что жила растет вверх, вместе с накапливающимся осадком. Поэтому рост жилы неограничен. При эпигенезе дневная поверхность стационарна, и ледяная жила растет только вниз, расширяясь за счет наращивания элементарных жилок и уплотнения грунта. Но уплотнение грунта не беспредельно, и в какой-то момент рост жилы прекращается. Размеры эпигенетических жил обычно невелики (до 5 м по вертикали, ширина в верхней части – 2-3 м) (рис.3).

Рис.3. Схема эпигенетического (А) и сингенетического (В) роста ледяных жил (Достовалов, 1974).

Растущие ледяные жилы по стенкам льда выжимают вверх вмещающую породу. Поэтому при определенных благоприятных условиях (оторфованные суглинистые и супесчаные пылеватые отложения, высокая влажность, низкие отрицательные температуры и др.) над морозобойными трещинами на поверхности земли образуются валики, а над самой жилой (между валиками) – понижения в результате вытаивания жилок льда в слое сезонного оттаивания. Так формируется полигонально-валиковый микрорельеф (рис. 4).

Морозобойное трещинообразовапие в условиях недостаточного увлажнения может привести к формированию не ледяных, а изначально грунтовых жил, которые образуются в слое сезонного оттаивания и промерзания пород. Весной в морозобойные трещины затекает не талая вода, а разжиженный грунт. На севере такие жилы встречаются редко, но при движении на юг частота их развития существенно возрастает. Встречаются они и за пределами криолитозоны.

Рис.4. Валиковый микрорельеф. Колымская низменность (фото А. Кузмицкий).

Песчаные жилы. В условиях сурового и очень сухого климата с сильными ветрами зимой, когда образуются морозобойные трещины, песок засыпается в них и образуются песчаные жилки. Многократное повторение процесса приводит к формированию песчаных жил. В определенных условиях могут формироваться песчано-ледяные жилы.

Псевдоморфозы по ледяным жилам – результат вытаивания ледяных жил и заполнения вытаявшего пространства породой.

Морозобойное растрескивание часто дополняется морозной сортировкой неоднородных по механическому составу грунтов деятельного слоя. Результатом их совместной работы становятся каменные полигоны, каменные полосы или, реже, каменные кольца (рис. 5).

 Рис. 5 Каменные полосы (А), каменные кольца (Б), каменные многоугольники (В) (Общая геоморфология, 2006).

Если грунты деятельного слоя не содержат крупных обломков, то механизм морозной сортировки приводит к образованию пятен-медальонов.

География распространения. Морозобойное растрескивание развито практически повсеместно в районах c глубоким сезонным промерзанием пород и в криолитозоне. Особенно интенсивно морозобойное растрескивание проявляется в условиях континентального климата. B зависимости от температурного режима отложений, по Н.Н. Романовскому, выделяются три типа морозобойных трещин:

• Южный (высокотемпературный). Развит в районах только c сезонным промерзанием и в районах распространения островной мерзлоты (трещины возникают и развиваются только в пределах сезонно-мёрзлого слоя).

• Переходный (умеренно-холодный). Встречается в районах прерывистого распространения вечной мерзлоты (трещины зарождаются в СТС и по мере своего развития все или только генерации низких порядков проникают в верхние слои мерзлой толщи).

• Северный (низкотемпературный). Характерен для районов сплошной мерзлоты (трещины возникают и развиваются целиком в мёрзлом массиве после полного промерзания сезонно-талого слоя)

B результате динамики температурного режима и сезонного оттаивания-промерзания один тип может переходить в другой. Сильное влияние на динамику температурного режима пород оказывает нарушение естественных условий (разрушение почв, растительности, уплотнение и снятие снежного покрова). B нарушенных условиях морозобойное растрескивание усиливается.

На территории России наиболее активно морозобойное растрескивание развивается в центральной Якутии, Бурятии, Магаданской области и т.д. В ряде арктических регионов при потеплении климата за последние 25–30 лет процессы морозобойного растрескивания практически не развиваются в природных ландшафтах, однако, как показали полевые исследования группы ученых из МГУ (2022), в Норильске, Игарке и Новом Уренгое, эти процессы весьма активны на участках, регулярно очищаемых от снега (автодорогах, аэродромах и др.).

Южная граница распространения полигонально-жильных льдов на севере Европейской части России проходит примерно по 66^о с.ш., в Западной Сибири – 63^о с.ш., а восточнее 90 ^о в.д. она достигает 50 ^о с.ш.     

Вилюйская, Колымская, Яно-Индигирская низменности являются регионами с самыми мощными (до 60 м) ПЖЛ, образующими частую решетку. Меньшие по мощности сингенетические ПЖЛ широко распространены в Западной Сибири, в пределах Анадырской низменности, в горных долинах Восточной Сибири. Эпигенетические ПЖЛ типичны для западного сектора криолитозоны.    

Автор: Волкова Н.В.

Список литературы