Криолитозона

Таяние вечной мерзлоты на острове Гершеля, 2013 год

Криолитозо́на (от греч. κρύος — ледяной холод, мороз, греч. λίϑος — камень и греч. ζώνη — пояс) — верх­няя часть зем­ной коры с от­ри­ца­тель­ной тем­пе­ра­ту­рой почв, от­ло­же­ний, гор­ных по­род, с на­ли­чи­ем или воз­мож­но­стью су­ще­ст­во­ва­ния под­зем­ных льдов; часть криосферы Зем­ли. Термин пред­ло­жен Петром Швецовым в 1955 году. Криолитозона вклю­ча­ет в се­бя мёрз­лые горные по­ро­ды, мо­роз­ные гор­ные по­ро­ды и ох­ла­ж­дён­ные гор­ные по­ро­ды (ни­же 0 °С). Ох­ла­ж­дён­ные по­ро­ды за­со­ле­ны или насыще­ны криогалин­ны­ми во­да­ми (крио­пэ­га­ми).

Происхождение криолитозоны

Появление криолитозоны в Северном полушарии связано с множественными ледниковыми периодами, которые охватывали обширные территории в течение двух миллионов лет. Криолитозона формируется не только пространственно, но и временно. Мерзлота в верхнем слое земной коры возникала несколько раз в геологической истории. Тем не менее, в дальнейшем эти породы оттаивали, оставляя лишь смутные следы прежнего промерзания.

На территории России установлено, что приблизительно два миллиона лет назад, то есть в позднем плиоцене, криолитозона уже сформирована в Новосибирских островах, а также в Яно-Индигирской и Колымской низменностях. Однако в течение следующей геологической эры она исчезала и вновь появлялась. Последний раз она возникла около 650 тысяч лет назад и с тех пор больше не исчезала, поскольку за этим событием последовали ледниковые эпохи одна за другой.

Описание

Криолитозона включает в себя мёрзлые, морозные и охлажденные породы. Мёрзлые породы характеризуются отрицательной или нулевой температурой, при этом вся вода или её часть находится в твёрдом состоянии, то есть замёрзла. Морозными называют сухие породы с отрицательной температурой, не содержащие воду; к ним относятся монолитные магматические образования и грубообломочные отложения в состоянии, свободном от влаги. Распространение морозных пород в природе ограничено. Охлажденными считаются породы с отрицательной температурой, насыщенные высокоминерализованными водами, которые называют криопэгами. Некоторые исследователи также включают в это определение грунты, содержащие эти воды.

Многолетняя криолитозона имеет зональный характер как в географическом, так и в геологическом отношениях. Ширина распространения мёрзлых пород зависит от географической широты, высоты местности, глубины от поверхности и истории геологического развития региона. Мощность криолитозоны варьируется от единиц до сотен метров, достигая максимума в 1450 метров в северном полушарии (Западная Якутия). В высотных районах и на Антарктическом щите глубина промерзания может быть значительно выше. В плейстоцене многолетнее промерзание могло достигать нескольких километров.

Среднегодовая температура криолитозоны, фиксируемая на уровне сезонного оттаивания и на глубинах 10-20 метров, также изменяется зонально — от нуля до минус 10-15 °C на арктическом побережье России. Площадь, занимаемая криолитозоной, составляет около 25 % земной поверхности и почти 2/3 территории России, охватывая северные регионы и горные цепи Сибири (в горах Алтая, Саянах, Тянь-Шаня).

Циркумполярная карта криолитозоны

Циркумарктическая карта состояния вечной мерзлоты и подземных льдов

В 1997 году Геологической службой США издана циркумполярная карта многолетнемёрзлых пород и грунтовых льдов Северного полушария Земли масштаба 1:10 000 000, составленная специалистами-геокриологами государств евроазиатского и североамериканского континентов. В основу составления карты положена легенда, разработанная Международной Ассоциацией мерзлотоведов при Циркумтихоокеанском Совете по энергетическим и минеральным ресурсам.

На циркумполярной карте отражено также распространение поверхностного льда в виде ледниковых покровов и разрозненных ледников, а для России ещё и наледей крупных и гигантских размеров. Отражение ландшафтных особенностей по континентам дополняется показом северной границы леса, а в морях Северного Ледовитого океана — северной границей известной или предполагаемой криолитозоны.

Подземные воды в криолитозоне

Водообменная функция криолитозоны связана прежде всего с фазовыми переходами воды из жидкого состояния в твёрдое и обратно, то есть с процессами промерзания водонасыщенных и протаивания льдонасыщенных горных пород. Ежегодно в верхней её части происходит сезонный переход подземных льдов в жидкую фазу и обратно в огромных количественных масштабах. Суммарный объём воды, образуемой от таяния подземного льда, аккумулируемого в зимний период в деятельном слое криолитозоны, составляет около 41012 м³, что в 3,3 раза превышает единовременный объём воды всех рек планеты. Значительная часть образуемой при этом влаги поступает на формирование различных видов надмерзлотных вод, которые расходуются на транспирацию и подземное питание рек и озёр криолитозоны. Величина надмерзлотного стока в области распространения многолетнемёрзлых пород равна 19-109 м³/сут. или 220 тыс. м³/с.

Подземные воды криолитозоны по отношению к мёрзлым породам — криогенным водоупорам — подразделяются на:

1. Надмерзлотные подземные воды подразделяются на временные воды деятельного слоя и постоянные воды несквозных таликов.
2. Межмерзлотные воды обычно располагаются между двумя слоями мёрзлых пород, например между голоценовым верхним и реликтовым, позднемиоценовым, нижним. Эти воды чаще всего динамически не активны.
3. Внутримерзлотные воды существуют внутри толщи мёрзлых пород и находятся в замкнутых объёмах, будучи приуроченными к таликам в карстующихся известняках.
4. Подмерзлотные воды циркулируют вблизи подошвы мёрзлой толщи, обладают положительными температурами, иногда слабо или сильно минерализованы и могут быть напорными и ненапорными, а также контактирующими с мёрзлой породой или неконтактирующими, то есть отделёнными слоями талых пород от мёрзлых.

Криогенная солифлюкция

Серьёзную угрозу представляет процесс криогенной солифлюкции, типичный для криолитозоны, который происходит на склонах сопок, холмов и оврагов. Солифлюкция — явление, характеризующееся вязкопластичным движением переувлажнённых оттаявших грунтов по замёрзлой, льдом сцепленной поверхности склона. В летнее время верхний слой мерзлоты оттаивает на относительно небольшой глубине. Периодически он становится сильно влажным из-за талых и дождевых вод, которые не имеют возможности проникнуть в глубину через замороженные слои. В результате верхний слой заболачивается, утяжеляется, превращается в вязкопластичное вещество и начинает двигаться при уклонах всего 2-3° по ещё неразмороженной скользкой поверхности подстилающего слоя. В этом процессе на склонах формируются характерные фестончатые наслоения, невысокие гряды и целые террасы солифлюкции, даже в лесных зонах с лиственницей, известной как «пьяный лес». Обычно скорость движения грунта по склону составляет 2-10 см в год, но в условиях сильных дождей или быстрого таяния она может достигать нескольких метров в минуту. Есть случаи, когда такие движения разрушали палаточные лагеря геологов на полуострове Ямал. Процесс солифлюкции широко распространён в районах с многолетнемёрзлыми или глубоко промерзшими грунтами, таких как тундра, лесотундра, а также в Средней и Восточной Сибири и высокогорьях.

Мониторинг криолитозоны

В настоящее время мониторинг фона криолитозоны осуществляется в рамках международной инициативы под эгидой Сети глобального мониторинга криолитозоны (GTN-P — Global Terrestrial Network on Permafrost). В ходе проекта GTN-P специалисты собирают данные о термическом состоянии мерзлоты (TSP — Thermal State of Permafrost) и толщине сезонно-талого слоя. Изучение глубины активного слоя проводится в рамках Программы циркумполярного мониторинга деятельного слоя (CALM — Circumpolar Active Layer Monitoring).

В России мониторинг криолитозоны является частью интегрированной системы экологического контроля. В соответствии со Статьёй 1 Федерального Закона № 7 «Об охране окружающей среды» от 21 ноября 2011 года, «государственный экологический мониторинг (государственный мониторинг окружающей среды) — комплексное наблюдение за состоянием среды, включая оценку компонентов природы и естественных экосистем, а также прогноз изменения их состояния».

Единая государственная система экологического мониторинга охватывает атмосферу, поверхностные воды, снежный и ледовый покров, флору и фауну, почвы, донные отложения, горные породы и подземные воды, включая геокриологический мониторинг. Фоновый мониторинг включает оценку состояния вечной мерзлоты в естественных условиях. В Российской Федерации действуют лишь два государственных объекта для мониторинга криолитозоны: Воркутинский опорный мерзлотно-гидрогеологический полигон и геокриологический стационар Марре-Сале, а также несколько площадок для периодических наблюдений.

Многолетняя мерзлота

Вечная мерзлота летом

Многолетняя мерзлота включает горные породы, имеющие отрицательную температуру и содержащие в составе лёд длительное время (от нескольких лет до многих тысяч лет). Многолетняя мерзлота составляет основную массу криолитозоны.

Такой тип мерзлоты распространён в основном в Северном полушарии Земли, охватывая северные части Евразии и Северной Америки. Это составляет около 25 % всей суши и 65 % территории Российской Федерации. Южная граница её распространения в европейской части России проходит от Кольского полуострова до устья реки Мезень и далее следует практически вдоль Северного полярного круга, достигая Урала, после чего опускается до северной широты 60°.

В Западной Сибири граница проходит в широтном направлении до реки Енисей; чуть выше реки Подкаменная Тунгуска, она резко отклоняется на юг и продолжается вдоль правого берега Енисея. На восток от Енисея многолетняя мерзлота охватывает большую часть территории, исключая южную часть полуострова Камчатка, остров Сахалин, Приморье и некоторые другие районы.

Ссылки

• Геоинформационная модель высокогорной криолитозоны в Северном Тянь-Шане
• Веб-сайт Сети мониторинга циркумполярного активного слоя