Вічномерзлі ґрунти: райони розповсюдження, температура, особливості розробки

Вічномерзлі ґрунти: райони розповсюдження, температура, особливості розробки


З цієї статті ви дізнаєтеся про особливості вічномерзлих ґрунтів, які поширені в зонах вічної мерзлоти. У геології вічна мерзлота - це земля, в тому числі, кам 'яний (кріотичний) грунт, актуальний при температурі замерзання води 0 ° C або нижче протягом двох або більше років. Велика частина вічної мерзлоти розташована у високих широтах (всередині і навколо арктичних і антарктичних регіонів), але, наприклад, в Альпах зустрічається і більш високо.

Ґрунтовий лід присутній не завжди, як це може бути в разі непористої корінної породи, але він часто зустрічається в кількостях, що перевищують потенційне гідравлічне насичення ґрунтового матеріалу. Вічна мерзлота становить 0,022% від загального обсягу води на Землі і існує в 24% відкритих земель Північної півкулі. Це також відбувається під водою на континентальних шельфах континентів, що оточують Північний Льодовитий океан. На думку однієї групи вчених, глобального підвищення температури на 1,5 ° C (2,7 ° F) вище нинішніх рівнів буде достатньо, щоб почати відстоювання вічної мерзлоти в Сибіру.

Вивчення

На відміну від відносної нестачі звітів про мерзлі ґрунти в Північній Америці до Другої світової війни, російською мовою була доступна література з інженерних аспектів вічної мерзлоти. Починаючи з 1942 р., Сімон Вільям Мюллер заглибився у відповідну літературу, що належала Бібліотеці Конгресу і Бібліотеці Геологічної служби США, щоб надати уряду керівництво з інженерних робіт і технічний звіт про вічну мерзлоту до 1943 року.

Визначення

Вічномерзлі ґрунти - це ґрунти, гірські породи або відкладення, які замерзають більше двох років поспіль. В областях, не покритих льодом, вони існують під шаром ґрунту, каменю або осаду, який щорічно замерзає і відтоює і називається "активним шаром". На практиці це означає, що вічна мерзлота відбувається при середній річній температурі -2 ° C (28,4 ° F) або нижче. Товщина активного шару змінюється залежно від сезону, але становить від 0,3 до 4 метрів (дрібна вздовж арктичного узбережжя; глибоко в південному Сибіру і на Цинхай-Тибетському плато).

Географія

Що можна сказати про поширення вічномерзлих ґрунтів? Ступінь вічної мерзлоти варіюється залежно від клімату: сьогодні в Північній півкулі 24% вільної від льоду площі суші - що еквівалентно 19 мільйонам квадратних кілометрів - більш-менш схильні до впливу вічної мерзлоти.

У цій області трохи більше половини покрито безперервною вічною мерзлотою, близько 20 відсотків - уривчастою вічною мерзлотою і трохи менше 30 відсотків - спорадичною вічною мерзлотою. Велика частина цієї території знаходиться в Сибіру, на півночі Канади, на Алясці і в Гренландії. Під активним шаром щорічні коливання температури вічної мерзлоти стають меншими з глибиною. Найглибша глибина вічної мерзлоти відбувається там, де геотермальне тепло підтримує температуру більше нуля. Вище цієї межі може бути вічна мерзлота, температура якої не змінюється щорічно. Це "ізотермічна вічна мерзлота". Райони вічномерзлих ґрунтів слабо придатні для активної життєдіяльності людини.

Клімат

Вічна мерзлота зазвичай утворюється в будь-якому кліматі, де середньорічна температура повітря менше точки замерзання води. Винятки можна знайти в кліматі вологої зими, наприклад, у Північній Скандинавії і північно-східній частині Росії на захід від Уралу, де сніг виступає як ізолююче покриття. Льодовикові ділянки можуть бути винятками. Оскільки всі льодовики нагріваються біля основи геотермальним теплом, помірні льодовики, які знаходяться поблизу точки плавлення під тиском, можуть мати рідку воду на кордоні із землею. Тому вони вільні від вічної мерзлоти. "Копалини" холодні аномалії в геотермальному градієнті в районах, де під час плейстоцену розвивалася глибока вічна мерзлота, зберігаються до декількох сотень метрів. Це видно з вимірювань температури в свердловинах в Північній Америці і Європі.

Температура під землею

Як правило, температура під землею змінюється від сезону до сезону менше, ніж температура повітря. При цьому середньорічні температури мають тенденцію до збільшення з глибиною в результаті геотермального градієнта земної кори. Таким чином, якщо середньорічна температура повітря лише трохи нижче 0 ° C (32 ° F), вічна мерзлота буде формуватися тільки в місцях, які захищені - зазвичай з північного боку - створюючи уривчасту вічну мерзлоту. Зазвичай вічна мерзлота залишатиметься уривчастою в кліматі, де середньорічна температура поверхні ґрунту становить від -5 до 0 ° C (від 23 до 32 ° F). На ділянках з вологою зимою, згаданих вище, не може бути навіть уривчастої вічної мерзлоти до -2 ° C (28 ° F).

Види вічної мерзлоти

Вічна мерзлота часто далі ділиться на велику уривчасту вічну мерзлоту, де вічна мерзлота охоплює від 50 до 90 відсотків ландшафту і зазвичай зустрічається в областях із середньорічною температурою від -2 до -4 ° C (28-25 ° F), а також спорадичну вічну мерзлоту, де покрив вічної мерзлоти становить менше 50 відсотків ландшафту і зазвичай відбувається при середньорічній температурі від 0 до -2 ° C (32 і 28 ° F). У ґрунтознавстві спорадична зона вічної мерзлоти - це СЗЗ, а велика зона переривчастої мерзлоти - ДЗЗ. Винятки трапляються в неглазованому Сибіру і Алясці, де нинішня глибина вічної мерзлоти є пережитком кліматичних умов під час льодовикового періоду, де зими були на 11 ° C (20 ° F) холодніше, ніж сьогодні.

Температура вічномерзлих ґрунтів

При середньорічних температурах поверхні ґрунту нижче -5 ° C (23 ° F) вплив аспекту ніколи не може бути достатнім для відтоку вічної мерзлоти і формування зони безперервної вічної мерзлоти (скорочено - CPZ). Лінія суцільної вічної мерзлоти в Північній півкулі являє собою найпівденніший кордон, де земля покрита суцільною вічною мерзлотою або льодовиковим льодом.

З цілком очевидних причин проектування на вічномерзлих ґрунтах є вкрай складним завданням. Лінія суцільної вічної мерзлоти змінюється по всьому світу на північ або південь через регіональні кліматичні зміни. У південній півкулі велика частина еквівалентної лінії була б у Південному океані, якби там була земля. Велика частина антарктичного континенту перекрита льодовиками, під якими велика частина місцевості схильна до танення в ґрунті. Оголена земля Антарктиди значною мірою залягає в умовах вічної мерзлоти.

Альпи

Оцінки загальної площі зони вічномерзлих грунтів в Альпах сильно варіюються. Бокхайм і Манро об 'єднали три джерела і зробили табличні оцінки по регіонах (загалом 3 560 000 км2).

Альпійської вічної мерзлоти в Андах не було на карті. Протяжність в даному випадку змодельована для оцінки кількості води в цих областях. У 2009 році дослідник з Аляски виявив вічну мерзлоту на рівні 4700 м (15 400 футів) на найвищій вершині Африки, горі Кіліманджаро, приблизно в 3 ° на північ від екватора. Фундаменти на вічномерзлих грунтах у цих широтах - не рідкість.

Замерзлі моря і мерзле дно

Морська вічна мерзлота зустрічається під морським дном і існує на континентальних шельфах полярних регіонів. Ці області утворилися протягом останнього льодовикового періоду, коли велика частина води Землі була пов 'язана в крижаних щитах на суші і рівень моря був низьким. Коли крижані щити розтанули і знову стали морською водою, вічна мерзлота перетворилася на затоплені полиці при відносно теплих і солоних граничних умовах порівняно з вічною мерзлотою на поверхні. Тому підводна вічна мерзлота існує в умовах, які призводять до її зменшення. За словами Остеркампа, підводна вічна мерзлота є фактором "проектування, будівництва та експлуатації прибережних об 'єктів, споруд, заснованих на морському дні, штучних островів, підводних трубопроводів і свердловин, пробурених для розвідки і видобутку.

Вічна мерзлота простягається до глибини основи, де геотермальне тепло від Землі і середньорічна температура на поверхні досягають рівноважної температури 0 ° C. Глибина основи вічної мерзлоти сягає 1493 метрів (4898 футів) у північних басейнах річок Лена і Яна в Сибіру. Геотермальний градієнт - це швидкість збільшення температури по відношенню до збільшення глибини в надрах Землі. Далеко від кордонів тектонічної плити вона становить близько 25-30 ° С/км поблизу поверхні в більшості країн світу. Він змінюється залежно від теплопровідності геологічного матеріалу і менше для вічної мерзлоти в ґрунті, ніж у корінній породі.

Лід у ґрунті

Коли вміст льоду у вічній мерзлоті перевищує 250 відсотків (від маси льоду до сухого ґрунту), вона класифікується як масивний лід. Масивні крижані тіла можуть варіюватися за складом від крижаного бруду до чистого льоду. Масивні крижані пласти мають мінімальну товщину не менше 2 метрів, короткий діаметр - не менше 10 метрів. Вперше зареєстровані в Північній Америці спостереження були зроблені європейськими вченими на річці Каннінг на Алясці в 1919 році. Російська література наводить більш ранню дату 1735 і 1739 років під час Великої Північної експедиції П. Лассінія і Х.П. Лаптєва відповідно. Дві категорії масивного ґрунтового льоду - це похований поверхневий лід і так званий "внутрішньосідний лід" ". Створення будь-яких підстав на вічномерзлих грунтах вимагає, щоб ніяких великих льодовиків поблизу не було.

Похований поверхневий лід може походити зі снігу, замерзлого озера або морського льоду, aufeis (скручений річковий лід) і, ймовірно, найбільш поширений варіант - похований льодовиковий лід.

Замерзання підземних вод

Інтрадієстимальний лід утворюється в результаті замерзання підземних вод. Тут переважає сегрегаційний лід, який виникає в результаті кристалізаційної диференціації, що відбувається під час замерзання вологих опадів. Процес супроводжується міграцією води на фронт замерзання.

Інтрадіестимальний (конституційний) лід широко спостерігався і вивчався по всій Канаді, а також включає інтрузивний та ін 'єкційний лід. Крім того, крижані клини, окремий тип ґрунтового льоду, виробляють впізнавані візерункові полігони або тундрові полігони. Крижані клини утворюються в геологічному субстраті, що раніше існував. Вони були вперше описані в 1919 році.

Вуглецевий цикл

Вуглецевий цикл вічної мерзлоти пов 'язаний з перенесенням вуглецю з ґрунтів вічної мерзлоти в наземну рослинність і мікроби, в атмосферу, назад в рослинність і, нарешті, знову в ґрунт вічної мерзлоти шляхом поховання і осадження в результаті кріогенних процесів. Частина цього вуглецю переноситься в океан та інші частини земної кулі через глобальний вуглецевий цикл. Цикл включає обмін вуглекислого газу і метану між земними компонентами і атмосферою, а також перенесення вуглецю між сушею і водою у вигляді метану, розчиненого органічного вуглецю, розчиненого неорганічного вуглецю, частинок неорганічного вуглецю і частинок органічного вуглецю.

Історія

Вічна мерзлота Арктики зменшується протягом багатьох століть. Наслідком цього є відстоювання ґрунту, яке може бути слабшим, і викид метану, що сприяє збільшенню швидкості глобального потепління в рамках циклу зворотного зв 'язку. Райони поширення вічномерзлих ґрунтів в історії постійно змінювалися.

На останньому льодовиковому максимумі суцільна вічна мерзлота охоплювала набагато більшу територію, ніж сьогодні. У Північній Америці на південь від крижаного покриву на широті Нью-Джерсі на півдні штату Айова і в північній частині штату Міссурі існував тільки дуже вузький пояс вічної мерзлоти. Вона була обширною в більш сухих західних регіонах, де вона поширювалася до південного кордону Айдахо і Орегон. У південній півкулі є деякі свідчення колишньої вічної мерзлоти цього періоду в центральному Отаго і в аргентинській Патагонії, але, ймовірно, вона була уривчастою і пов 'язаною з тундрою. Альпійська вічна мерзлота також сталася в Дракенсберзі за часів існування льодовиків вище 3000 метрів (9 840 футів). Проте підстави і фундаменти на вічномерзлих грунтах встановлюються навіть там.

Будова ґрунту

Ґрунт може складатися з багатьох матеріалів субстрату, включаючи корінні породи, відкладення, органічні речовини, воду або лід. Замерзла земля - це те, що нижче точки замерзання води, незалежно від того, чи присутня вода в субстраті. Молитовний лід присутній не завжди, як це може бути в разі непористої корінної породи, але він часто зустрічається і може бути присутнім у кількостях, що перевищують потенційне гідравлічне насичення субстрату.

Як наслідок, кількість опадів збільшується, що, в свою чергу, призводить до ослаблення і можливого обвалення будівель в таких областях, як Норильськ на півночі Росії, який лежить в зоні вічної мерзлоти.

Руйнування схилів

За минуле сторіччя було зареєстровано багато випадків руйнування альпійських схилів у гірських хребтах по всьому світу. Очікується, що велика кількість структурних руйнувань пов 'язана з таненням вічної мерзлоти, яке, як вважається, виникає через зміну клімату. Вважається, що танення вічної мерзлоти сприяло зсуву Валь Пола в 1987 році, в результаті якого загинули 22 людини в італійських Альпах. У гірських хребтах велика частина структурної стійкості може бути пов 'язана з льодовиками і вічною мерзлотою. У міру того, як клімат прогрівається, відтоює вічна мерзлота, що призводить до менш стійкої структури гір і, в кінцевому підсумку, до більшої кількості руйнувань схилів. Підвищення температури дозволяє більш глибокі глибини активного шару, що тягне за собою ще більше проникнення води. Лід у ґрунті тане, викликаючи втрату міцності ґрунту, прискорений рух і потенційні потоки сміття. Тому будівництво на вічномерзлих грунтах вкрай небажане.

Також відома інформація про масивні падіння каменів і льоду (до 11,8 млн. м3), землетруси (до 3,9 млн. миль), повені (до 7,8 млн. м3 води) і швидку течію скельного льоду. Це викликано "нестійкістю схилів" в умовах вічної мерзлоти у високогір 'ях. Нестабільність схилів у вічній мерзлоті при підвищених температурах поблизу точки замерзання в потеплінні вічної мерзлоти пов 'язана з ефективною напругою і підвищенням тиску порової води в цих грунтах.

Розробка вічномерзлих ґрунтів

Джейсон Кіа і його співавтори винайшли новий безфільтровий жорсткий п 'єзометр (FRP) для вимірювання тиску порової води в частково мерзлих ґрунтах, таких як потепління вічної мерзлоти. Вони розширили використання концепції ефективної напруги для частково мерзлих ґрунтів для використання в аналізі стійкості укосів прогріваючих схилів вічної мерзлоти. Застосування концепції ефективної напруги має багато переваг, наприклад, здатність будувати підстави і фундаменти на вічномерзлих грунтах.

Органічний матеріал

У північному циркумполярному регіоні вічна мерзлота містить 1700 мільярдів тонн органічного матеріалу, що становить майже половину всього органічного. Цей басейн створювався протягом тисячоліть повільно руйнується в холодних умовах Арктики. Кількість вуглецю, секвестрованого у вічній мерзлоті, в чотири рази перевищує кількість вуглецю, викинутого в атмосферу в результаті діяльності людини в сучасний час.

Наслідки

Утворення вічної мерзлоти має значні наслідки для екологічних систем, в першу чергу через обмеження, що накладаються на кореневі зони, а також через обмеження на геометрію логова і нори для фауни, що вимагає підземних будинків. Вторинні впливи впливають на види, що залежать від рослин і тварин, середовище яких обмежене вічною мерзлотою. Одним з найбільш поширених прикладів є переважання чорної ялини в великих районах вічної мерзлоти, оскільки цей вид може переносити укорінення, обмежене поблизу поверхні.

Розрахунки вічномерзлих ґрунтів проводяться часом і для аналізу органічного матеріалу. Один грам ґрунту з активного шару може містити більше одного мільярда клітин бактерій. При розміщенні вздовж один одного бактерії з одного кілограма ґрунту активного шару утворюють ланцюг довжиною 1000 км. Кількість бактерій у ґрунті вічної мерзлоти варіюється в широких межах, зазвичай від 1 до 1000 мільйонів на грам ґрунту. Більшість з цих бактерій і грибів у ґрунті вічної мерзлоти не можуть бути культивовані в лабораторії, але ідентичність мікроорганізмів може бути виявлена в міру методів на основі ДНК.

Арктичний регіон і глобальне потепління

Арктичний регіон є одним з природних джерел метану парникових газів. Глобальне потепління прискорює його викид. Велика кількість метану зберігається в Арктиці в родовищах природного газу, вічній мерзлоті і у вигляді підводних клатратів. Інші джерела метану включають підводні таліки, річковий транспорт, відступ крижаного комплексу, вічну мерзлоту підводних човнів і газогідратні відкладення. Попередній комп 'ютерний аналіз показує, що вічна мерзлота може виробляти вуглець, що дорівнює приблизно 15 відсоткам сьогоднішніх викидів від людської діяльності. Потепління і відстоювання ґрунтових масивів робить будівництво на вічномерзлих ґрунтах ще більш небезпечним заходом.