Геокриология

Районы распространения вечной мерзлоты в Евразии

Геокриология (от др.-греч. гео…, крио… и …логия) — наука которая исследует зону вечной мерзлоты. Промерзание грунта является результатом холодного климата и различных экологических факторов. Геокриология изучает явления устойчивой мерзлоты, такие как сезонно-мерзлые породы, криогенные геологические процессы и явления, что делает её более широкой, чем мерзлотоведение.

Начало геокриологии как науки можно отнести к публикации книги «Общее мерзлотоведение» русского учёного Михаила Ивановича Сумгина, увидевший свет в 1940 году.

История

Отрасль науки, являющаяся подотраслью физической географии и, соответственно, наук о Земле, которая занимается изучением морозов и постоянно мерзлых грунтов, включая исследование процессов замерзания и оттаивания, а также технических устройств и приемов, которые могут быть использованы для преодоления физических проблем в таких условиях. Основанная в России, геокриология является одной из самых молодых отраслей географии, содержание которой слилось с почвоведением и гляциологией, но которая развилась в науку или отрасль в рамках физической географии. Одно из первых описаний вечной мерзлоты принадлежит русским землепроходцам XVII века, покорявшим просторы Сибири. Необычную природу грунта первым заметил казак Я. Святогоров, а в дальнейшем её исследовали первопроходцы экспедиций, организованных Семеном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В специальных донесениях русскому царю они указывали на существование особых таёжных зон, в которых земля оттаивает на глубину не более двух аршин даже в середине лета. Воеводы Ленского края Петр Головин и Матвей Глебов в 1640 году докладывали царю, что земля не оттаивает даже в середине лета.

В 1828 году Федор Щергин начал проходку шахты в Якутске. Ему потребовалось 9 лет, чтобы достичь глубины 116,4 метра. Шахта Шергина постоянно погружалась в мерзлый грунт, не обнаружив ни одной жилы подземных вод. В 1840-х годах Александр Фёдорович Миддендорф измерил температуру на глубине 116 метров. С тех пор вопрос о существовании «вечной мерзлоты» больше всерьез не поднимался.

Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введен в научный обиход в 1927 году М. И. Сумгиным, основателем школы советских мерзлотоведов.

Однако уже в 1843 году Карл Эрнст фон Бэр написал первую в мире мерзлотную почвоведческую работу под названием («Материалы для познания нетленного почвенного льда в Сибири»), а в 1842-43 годах он уже подготовил к печати 218-страничную машинопись с мерзлотной картой Евразии. Его открытие и аннотированная публикация в библиотечных фондах архива Гиссенского университета в 2001 году стали научной сенсацией. Александр Миддендорф, которого спонсировал Карл Эрнст фон Баер, предоставил множество геотермических наблюдений во время своей поездки в Сибирь.

Научные исследования вечной мерзлоты начались только в XIX веке, особенно в России. Такое «позднее» развитие науки связано с тем, что основной объект геокриологии (вечная мерзлота) встречается только на относительно ограниченной территории и обычно покрывается оттепелью. Термины, обозначающие различные явления в мерзлоте, такие как мерзлотный грунтовый лед, постоянно мерзлые грунты, геокриологические признаки геокриологического происхождения (ледяные холмы, полигональная тундра), также возникли недавно. Некоторые геокриологические термины, такие как пинго, тарын, байджерах и других, происходят из местных языков народов России, живущих в районах вечной мерзлоты.

Выделение геокриологии я в са­мо­сто­ятельную нау­ку, ста­нов­ле­ние ко­то­рой свя­за­но с име­на­ми росссийских учё­ных М. И. Сум­ги­на, В. А. Об­ру­че­ва, В. И. Вер­над­ско­го, Н. А. Цы­то­ви­ча, Н. И. Тол­сти­хи­на и других. В 1929 при АН СССР ор­га­ни­зо­ва­на по­сто­ян­ная Ко­мис­сия по изу­че­нию веч­ной мерз­ло­ты (с 1930 под пред­се­да­тель­ст­вом Об­ру­че­ва), на ос­но­ве ко­то­рой в 1939 в Мо­ск­ве соз­дан Институт мерз­ло­то­ве­де­ния АН СССР им. В. А. Об­ру­че­ва (ны­не Институт мерзлотоведения имени П. И. Мельникова СО РАН, в Якутске). В 1953 на гео­ло­гическом факультете МГУ соз­да­на пер­вая в ми­ре ка­фед­ра мерз­ло­то­ве­де­ния, где под рук. В. А. Куд­ряв­це­вой сфор­ми­ро­ва­лась на­учная шко­ла гео­крио­ло­гов — центр под­го­тов­ки спе­циа­ли­стов это­го про­фи­ля.

Основатель геокриологии русский учёный Михаил Иванович Сумгин.

В Северной Америке исследования вечной мерзлоты начались после Второй мировой войны, когда была создана Научно-исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов (CRREL), подразделение армии США. Было признано, что понимание мерзлых грунтов и вечной мерзлоты в стратегических районах Севера было необходимо в период холодной войны. Эта работа имела особое значение для создания Линии дальнего раннего предупреждения. В Советском Союзе аналогичные цели преследовал Институт мерзлотоведения имени Мельникова в Якутске, названный в честь советского геолога Павла Ивановича Мельникова (1908—1994). Первый крупный контакт между высокопоставленными российскими и американскими исследователями после Второй мировой войны состоялся в Якутске в ноябре 1963 года.

Методология

Геокриология — это наука, которая основывается на знаниях в области физики, химии, математики, механики, геохимии, литологии, тектоники, исторической и динамической геологии, четвертичной геологии, геофизики, климатологии, гляциологии, геоморфологии, палеогеографии и других наук. Она тесно связана с инженерной геологией, грунтоведением, гидрогеологией, геоэкологией и другими науками.

При проведении геокриологических исследований используются различные специализированные методы, такие как полевые, дистанционные, лабораторные, экспериментальные и камеральные методы, включая расчетный анализ и математическое моделирование с использованием специальных программ. Геокриология делится на общую, инженерную и экологическую. Таким образом, геокриология изучает процессы, связанные с мерзлотой, и важна для понимания влияния этого явления на окружающую среду и для решения инженерных задач.

Для изучения геологического строения мерзлотных территорий обычно проводится ряд исследований, включая геокриологическое бурение; отбор проб и изучение свойств монолитов расплавленного и мерзлого грунта; лабораторные исследования грунтов; изучение газового состава; электромагнитное зондирование; математическое моделирование динамики мерзлотной толщи.

Общая геокриология

Общая геокриология является научным направлением, которое включает в себя изучение физики, химии и механики мерзлых пород, динамики земной коры, региональной и исторической геокриологии. Физика, химия и механика мерзлых пород изучают природу и закономерности физико-химических, механических, теплофизических, структурно- и текстурообразовательных процессов в процессах замерзания, оттаивания и наличия мерзлых пород.

Динамическая геокриология подразделяется на два направления. Одно из них включает разработку термодинамических основ формирования толщ многолетне- и сезонномерзлых пород, основываясь на изучении теплообмена в системе «атмосфера-литосфера», радиационного и водно-теплового баланса, температурного режима и фазовых переходов влаги в горных породах, а также тепловых процессов в верхних слоях земной коры. С помощью моделирования, расчетов и анализа ученые определяют направленность и характер развития мерзлотного процесса (деградационный, стабильный, аградационный) для различных природных условий, а также определяют криогенный возраст многолетне-мерзлых пород в связи с колебаниями климата.

Инженерная геокриология

Земля, покрытая ледяным инеем, в Исландии

Инженерная геокриология играет ключевую роль в обеспечении безопасности и эффективности строительства и эксплуатации инженерных объектов в условиях криолитозоны. Она занимается изучением характеристик мерзлоты и её воздействия на инженерные сооружения, проведением инженерно-геокриологических изысканий, разработкой прогностических моделей и проектов мероприятий по управлению мерзлотными процессами.

Специалисты инженерной геокриологии работают над разработкой обоснованных и надежных решений для строительства и эксплуатации объектов на мерзлых, прошершавших и оттаивающих грунтах. Они учитывают специфику различных направлений, таких как промышленное, городское, гидротехническое, транспортное и другие виды строительства, а также горное и агробиологическое строительство. Инженерная геокриология играет важную роль в обеспечении устойчивого развития и безопасности инженерных объектов в условиях криозоны и позволяет снизить риски возникновения аварийных ситуаций и повреждений инфраструктуры.

Экологическая геокриология

Экологическая геокриология важна для сохранения устойчивости природных экосистем на территориях с наличием криолитозоны, где люди воздействуют на окружающую среду. Она включает в себя оценку возможных последствий антропогенного воздействия и разработку мер, направленных на уменьшение негативного воздействия на природную среду. Картирование и районирование территорий помогают выявить уязвимые зоны, что позволяет предпринять необходимые действия для сохранения экологического равновесия. Важной составляющей экологической геокриологии является изучение влияния изменения климата на динамику ледников и мерзлоты. Расширение или сужение ледников, таяние мерзлоты и изменение гидрологического режима в результате изменений климата могут иметь серьёзные последствия для окружающей среды, биоразнообразия и человеческой деятельности.