Мерзлотная, или криогенная, морфоскульптура (греч. kryos – холод, лед и genesis – происхождение) распространена в области многолетней (вечной) мерзлоты. Вечная мерзлота – это такое состояние верхнего слоя земной коры (обычно до 1 км мощности), при котором он в течение сотен и тысяч лет находится в замерзшем состоянии. Зону многолетней мерзлоты называют геокриозоной или криолитозоной. В отличие от вечной мерзлоты сезонная мерзлота сковывает поверхностные грунты лишь зимой на небольшую глубину (около 1 м), а летом они полностью оттаивают. Геокриозона охватывает полярные, субполярные и отчасти умеренные широты в северном полушарии (рис. 29) и Антарктиду. По данным Р. К. Клиге, подводная криолитозона развита на шельфе арктических морей и на материковом склоне. Есть вечная мерзлота и в горах, особенно в высокогорьях. Наиболее крупный ареал высокогорной мерзлоты находится в Центрально-Азиатском регионе – в пределах Памира, Тянь-Шаня, Каракорума, Гималаев. Его площадь более 2 млн. км2, и он простирается на юг до 27° с. ш. В верхнем плейстоцене вечная мерзлота смыкалась с гигантской Евроазиатской областью криолитозоны. Согласно В. М. Котлякову, в целом на Земле многолетнемерзлые породы занимают площадь – более 35 млн. км2, а в России – больше половины территории (63%).
Вечная мерзлота – реликт ледниковых эпох. Причем в эпоху максимального распространения покровных материковых льдов в среднем плейстоцене площадь вечной мерзлоты хотя и увеличивалась по сравнению с современным состоянием, но не достигала размеров, свойственных последнему термическому минимуму плейстоцена. Именно в верхнем плейстоцене на Земле существовал наиболее обширный ареал вечной мерзлоты, особенно в Евразии (до 45° с. ш.). Мерзлота Западной Европы, Русской равнины и Западной Сибири сливались с вечной мерзлотой Восточной Сибири, существующей и в настоящее время.
Она сохранилась здесь благодаря резко континентальному климату с очень суровой, продолжительной и малоснежной зимой. В таких условиях снег оказывается сухим, сыпучим, не спаянным оттепельными корками («незачерствелым»), легко передуваемым при метелевом переносе, вследствие чего часто оголяется почва. Надежным доказательством реликтового происхождения многолетней мерзлоты служит хорошая сохранность в нетленном состоянии мамонтов и шерстистых носорогов, живших в перигляциальной зоне в плейстоцене. Но в районах с крайне суровыми зимами мерзлота возникает и сейчас: в поймах и дельтах рек Северо-восточной Сибири (Лены, Яны, Индигирки, Колымы и др.).
В пределах геокриозоны северного полушария по мерзлотно - температурному режиму выделяются три подзоны: 1) северная подзона – сплошной вечной мерзлоты мощностью в среднем до 500 м, но местами более 1000 м, с температурой грунтов ниже –5 °С; 2) средняя подзона – прерывистой вечной мерзлоты с так называемыми таликами – участками, где она отсутствует (под озерами, реками); ее мощность обычно до 100 м, температура грунтов – 2... – 5 °С; 3) южная подзона – островной вечной мерзлоты мощностью до 25 м, с температурой грунтов 0...-2°С.
В пределах геокриозоны поверхностный деятельный слой, оттаивающий летом и замерзающий зимой, увеличивается от первых десятков сантиметров на севере до 5–7 м на юге, но существенно варьируется из-за климата, состава пород, экспозиции склонов и пр. Граница геокриозоны в целом и подзон подвержены колебаниям вследствие глобальных потеплений и похолоданий климата в послеледниковое время.
В горных районах с увеличением высоты гор мощность многолетнемерзлых пород возрастает.
В мерзлых породах наблюдаются различные формы льда: повсюду – как цемент в виде замерзшей воды в порах и капиллярах, довольно широко – в виде клиньев в морозобойных трещинах, ледяных жил и прослоек, локально – в виде линз и глыб мощностью до 20 – 30 м. Обычно это бывшие озерные и речные, реже морские и ледниковые глыбы.
Подземные воды геокриозоны подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Особенно велика для рельефообразующих процессов роль грунтовых надмерзлотных вод, заключенных в деятельном слое, над слоем постоянной мерзлоты, являющимся водоупором.
Рельефообразующие процессы геокриозоны весьма разнообразны: морозобойное растрескивание, пучение грунтов и образование наледей, термокарст, скально-морозное выветривание, морозная сортировка грунтов, солифлюкция, термоэрозия, термоабразия и др. Особенностью большинства мерзлотных форм рельефа является их сложный генезис, так как криогенные процессы взаимодействуют как между собой, так и с другими экзогенными процессами. На образование рельефа существенное влияние оказывает тенденция развития климата: при похолодании – восходящее развитие вечной мерзлоты, возникновение новых форм, которые накладываются на реликтовые, при потеплении – нисходящее развитие, разрушение прежних форм. Важны геологическое строение территории, вещественный состав пород, направленность экзогенного развития – соотношение денудационных и аккумулятивных процессов и другие факторы. Среди мерзлотных форм рельефа преобладают микроформы и мезоформы, как на равнинах, так и в горах.
Трещинно-полигональные формы рельефа развиты на равнинах, сложенных однородными мелкоземистыми породами. Это сеть полигонов в форме многоугольников, ограниченных трещинами, возникающими в результате морозобойного растрескивания при маломощном снеге или на обнаженной поверхности. Размеры блоков в поперечнике могут достигать от нескольких десятков до сотен метров, поверхность их сначала плоская. Первоначальная ширина трещин 3 – 5 см, глубина 0,5 – 0,7 м, т. е. в пределах деятельного слоя. Трещины заполняются водой, и при ее замерзании возникают жилы в виде ледяных клиньев. Из года в год они растут в ширину и глубину, рассекают деятельный слой, внедряются в вечномерзлую толщу, вызывая вспучивание и выжимание грунта, благодаря чему по краям полигонов образуются валики до 1 м высотой, а поверхность грунта становится вогнутой и заболоченной. Такой полигонально-блочный рельеф свойствен тундре («полигональная тундра»). Полигонально-ячеистое строение подчеркивается растительностью: на повышениях-валиках растут лишайники, в центре блоков и в межблочьях на месте трещин – мхи и пушица, накапливается торф.
На блоках развиты микроформы – пятна-медальоны диаметром до 0,5 м. Они образуются осенью, когда плывун, зажатый между замерзающим деятельным слоем и вечно-мерзлым грунтом, под давлением прорывает поверхностный грунт и в виде «грязевого вулканчика» изливается на поверхность. Такие тундры с голыми глинистыми пятнами, лишенными на первых порах растительности, часто называют «пятнистыми тундрами».
«Структурный микрорельеф» – каменные кольца и многоугольники – микроформы рельефа на горизонтальных поверхностях, сложенных мелкоземом с включением грубо-обломочного материала. Это пятна или полигончики диаметром 1–2 м из мелкозема со щебнистым обрамлением-бордюром. Они возникают при избыточном увлажнении деятельного слоя, лежащего на мерзлом грунте, в результате процессов ячеистого растрескивания, вспучивания грунта при промерзании, вымораживания щебня к поверхности и сортировки его на поверхности от повышенного центра ячей в сторону трещин. На наклонных равнинах при крутизне 5 – 6° каменные многоугольники из изометричных становятся продолговатыми, вытягиваясь вдоль линии падения, и постепенно превращаются в каменные полосы, которые чередуются с полосами мелкозернистого грунта, сползающего под влиянием солифлюкции.
Следует отметить, что вымораживание каменных обломков из рыхлого грунта происходит не только в зоне распространения многолетней мерзлоты, но и в любом другом месте при периодическом промерзании и оттаивании грунта. В частности, типичным является вымерзание валунов из морен московского и особенно валдайского оледенений, продолжающееся до сих пор с неослабевающей интенсивностью.
Наледи образуются на днищах речных долин (в руслах и на поймах, иногда – на первых надпойменных террасах) и в местах подтока и выхода незамерших грунтовых вод в условиях суровых малоснежных зим. Это плосковыпуклые ледяные тела, образующиеся при излиянии воды и быстром замерзании ее на поверхности в условиях сильных морозов (–30... –50 °С). В зависимости от места возникновения и характера питающих их вод различаются речные, озерные и ключевые наледи. По продолжительности существования бывают сезонные, летующие и многолетние наледи – тарыны (по-якутски). Речные наледи образуются при сокращении живого сечения реки вследствие ее замерзания и промерзания; при этом образуются полыньи, вода из которых неоднократно изливается на поверхность и замерзает слой за слоем. Речные наледи служат ледяным барьером для весенних вод и способствуют изменению положения русла реки. Известны случаи, когда наледи брали «в плен» деревни. Речные наледи могут протягиваться на десятки километров. Озерные наледи тоже большие по площади.
Ключевые наледи возникают в местах выхода обильных напорных межмерзлотных или подмерзлотных вод, особенно вдоль тектонических разломов. Они присущи горным областям с трещиноватыми породами, чаще встречаются на склонах южной экспозиции, где меньше слой вечной мерзлоты и ближе к поверхности подходят подмерзлотные воды. Местоположение их постоянное. Самая большая ключевая наледь Улахан-Тарын в долине реки Момы, правого притока Индигирки, протягивается на 26 км при ширине 6–8 км и максимальной толщине льда 4 м. Такие жестко фиксированные наледи оказывают сильное воздействие на природу окрестностей: здесь особый микроклимат с невысокой летней температурой, угнетена растительность, от наледи летом растекаются ручейки. Вред наледей огромен: они разрушают дороги, коммуникации, мосты и другие сооружения.
Бугры пучения образуются на сильно влажных грунтах, особенно при подтоке грунтовых вод со стороны, в местах подземных наледей, когда напор подземных вод оказывается недостаточным для прорыва поверхностного слоя грунта. Вода замерзает в виде линзы и вспучивает либо грунт, либо торф. Соответственно различают минеральные и торфяные бугры пучения. По длительности существования они делятся на многолетние и сезонные. Многолетние бугры пучения с ледяным ядром являются гидролакколитами и называются булгунняхами (по-якутски) или пинго (по-эскимосски). Это холмы до 30–40 м высотой, 150 – 200 м в диаметре, с крутизной склонов 20–40°. Для образования таких мезоформ необходим постоянный подток подземных вод, поэтому они располагаются над таликами, часто на днищах бывших озерных котловин. При увеличении подземной линзы льда поверхность бугра на вершине часто разбивается радиально-концентрическими трещинами, лед ядра обнажается, летом подтаивает и «макушка» бугра проседает, в результате чего образуется кратерообразная воронка, иногда с водой.
Наряду с булгунняхами есть минеральные бугры пучения, состоящие из грунта с прослойками льда. Они образуются при медленной миграции воды снизу, пропитывающей грунт, замерзающей и увеличивающей объем породы. Размеры их меньше, но распространены они шире, чем булгунняхи.
Торфяные бугры образуются на болотистых равнинах. Ядро их обычно минеральное с прослойками льда, а сверху лежит слой торфа. Высота их достигает 10м, поперечник – 20–40 м.
Бугры пучения разрушают дороги, стройплощадки, аэродромы, так как с них убирается снег, а значит, увеличивается глубина промерзания и усиливается морозное пучение пород.
Термокарстовые формы рельефа – западины, воронки, котловины – образуются при вытаивании ледяных линз и клиньев в местах распространения льдистых рыхлых пород. Благодаря неравномерному вытаиванию содержащегося в породе льда на поверхности возникают просадки и провалы, внешне напоминающие карстовые формы. Среди них есть реликтовые и современные формы. Термокарстовые процессы проявляются в зоне деградации вечной мерзлоты, а также вызываются местными причинами, связанными с хозяйственной деятельностью человека: вырубкой лесов, распашкой земель. Большое значение имеют лесные пожары, в результате которых прогревается грунт, поверхность земли на пожарищах становится черной, летом сильнее нагревается и грунт глубже протаивает. Такой же эффект производят и мелкие озера, которые образуются на месте термокарстовых понижений. В них летом хорошо прогревается вода, а это стимулирует более глубокое прогрессивное протаивание грунта. Увеличение площади озер связано с термоабразией, т. е. оттаиванием и обрушением льдистых пород на побережьях озер из-за отепляющего влияния вод.
Высыхание озер приводит к образованию на их месте аласов – термокарстовых котловин с крутыми склонами и плоским дном. Площадь аласов – от сотен квадратных метров до нескольких квадратных километров, глубина – 15–30 м. В них располагаются ценные луга, издавна используемые местными жителями для выпаса скота. Термокарстовые озера специально осушают и создают луговые оазисы для получения сочных кормов и заготовки сена. Особенно много термокарстовых котловин с озерами на Центрально-Якутской равнине, на приморских Яно-Индигирской и Колымской низменностях, на севере Западной Сибири.
Термоэрозионные формы рельефа – ложбины, промоины, рытвины и даже овражки образуются на склонах речных долин и аласов в местах временных водотоков. Вода воздействует на льдистый грунт прежде всего термически, довольно легко врезаясь в него, и потом механически, унося оттаявшую и оплывающую породу. Если термокарстовые просадки и термоэрозионные промоины-рытвины образуются на месте морозобойных трещин по межблочьям, то блоки-полигоны превращаются в бугры клумбовидной формы диаметром до 10 м и высотой более 2–3 м – байджарахи (по-якутски). Они нередко располагаются в шахматном порядке, образуя целые колонии бугров.
Чаще всего термоэрозионные процессы стимулируются деятельностью человека – рытьем канав под коммуникации, прокладкой дорог, сбросом промышленных вод; снятие дернины, пропуск относительно теплых вод приводят к таянию грунтов и возникновению по линии протаивания эрозионных форм. Развитие термоэрозии протекает очень быстро (иногда в течение нескольких часов) и является серьезной проблемой при освоении северных равнинных территорий, например Ямала и Гыданского полуострова.
Криогенно-денудационные формы развиты в горах, на нагорьях, плоскогорьях и плато, сложенных твердыми породами и являющихся областями разрушения и сноса. Там интенсивно протекает скально-морозное выветривание. В результате на выровненных участках образуются плащеобразные скопления глыбово-щебнистого материала – так называемые каменные моря. Они служат источником материала для плоскостных и линейных курумов – каменных рек. Останцы выветривания причудливых очертаний на месте устойчивых пород называются кигил-ляхами.
На склонах гор в высотной гольцовой зоне – выше границы лесов и лугов – широко распространены денудационные нагорные террасы – пологонаклонные (3–5°) площадки шириной в сотни метров, перекрытые с поверхности маломощным чехлом обломочного материала. С внешней стороны они ограничены уступами крутизной 25– 30°, сложенными твердыми породами. Число их может быть различным. Они образуются вследствие более интенсивного морозного выветривания в понижениях на склонах, где зимой за счет метелевого переноса образуется «снежный забой». Весной грунты здесь сильно увлажняются и поэтому в большей степени подвергаются морозному выветриванию. В результате понижения расширяются и сливаются между собой, образуя нагорные террасы. В удалении продуктов выветривания с площадок участвует солифлюкция.
Криосолифлюкционный рельеф в виде натечных языков весьма широко распространен на склонах в зоне многолетней мерзлоты. О нем говорилось в теме «Склоновые процессы».
В распространении существующего мерзлотного рельефа на равнинах наблюдается определенная зональность. В северной мерзлотно-климатической подзоне на приморских низменностях преобладают полигональный рельеф, бугры поучения, местами термокарст. В средней подзоне шире развиты процессы солифлюкции, термокарст. В южной подзоне криогенная морфоскульптура ограничена и представлена в основном разными формами термокарста и термоэрозии, часто реликтовыми.
Наряду с зональностью существуют и провинциальные различия, обусловленные степенью континентальности климата. Например, в европейской тундре типичен термокарст, мало бугров пучения и трещинно-полигональных форм, наледи небольшие и образуются редко.
В резко континентальном климате на северо-востоке Сибири с суровыми продолжительными зимами многочисленны наледи, бугры пучения, блочно-полигональный рельеф. Нарушают зонально-провинциальные закономерности горы, нагорья, плоскогорья, на которых господствуют криогенно-денудационные и солифлюкционные формы рельефа.