На материках Земного шара площадь сезонной и многолетней криолитозоны достигает 50% (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Схема современного распространения сезонной и многолетней криолитозоны на земном шаре [9]:
1, 2 - субаэральная криолтозона (1 –равнинная, 2 - горная); 3 – субмаринная криолитозона; 5, 6 – сезонная криолитозона (5 – гумидного и 6 – аридного типов)
Криолитозона получила развитие в Азии, Северной Америке, Антарктиде, Европе и даже в Африке. В России сезонная и многолетняя криолитозона занимает до 100% ее суши, многолетняя – 65-70% и распространена преимущественно в азиатской ее части, включая шельфовую зону Северного ледовитого океана и его острова. Она занимает всю Арктику и значительную часть Сибири и Забайкалья [9, 19].
Первое научное представление о криолитозоне, как о наличии особой оболочки Земли было составлено в 1763 г. М.И. Ломоносовым, отличительной особенностью которой он считал отрицательную температуру воздуха, горных пород и воды и возможность многолетнего существования последних при этой температуре. Эти гипотезы через 160 лет развил А.Б. Добровольский, объединивший понятия о сферах холода, одним, фундаментальным понятием - «Криосфера». В ее состав им были включены приземная часть тропосферы, криогидросфера и криолитосфера. В дальнейшем понятие о криосфере было развито В.И. Вернадским. По его мнению, распределение твердой фазы воды (льда) формируют ледяные оболочки не только в земной коре, но и в биосфере, что оказывает определяющее значения тепловодообмена в системе атмосфера-почва-литосфера в высоких широтах Земли. Криосфера в дальнейшем была включена В.И. Вернадским в зону ее охлаждения, которая включала части мирового океана и суши с температурой ниже +4ºС. Причем широтные, высотные и глубинные зоны развития льда, как и вся зона охлаждения, по его мнению, не являются постоянными, а находятся в динамическом равновесии с окружающей средой. Климат территории распространения криолитозоны определяется особенностями перемещения воздушных масс и морских течений. В районах побережий, где господствуют североатлантические течения, климат мягкий, морской, в центре материка - континентальный и резко континентальный. Среднегодовая температура воздуха здесь характеризуется отрицательными величинами. Наиболее низкие зимние температуры встречаются на территории «полюса холода», где они опускаются до -72ºС.
В пределах горных областей криолитозоны, включая и Забайкалье, температура воздуха имеет преимущественно инверсионный характер изменения. Зимой наиболее низкие ее значения наблюдаются во впадинах, котловинах и долинах, летом здесь формируются более высокие температуры. В западной части арктической зоны в зимний период среднесуточная температура воздуха колеблется преимущественно от -5 до -15, нередко достигая -30ºС, в восточной – от -15 до -35ºС. В центральной полярной зоне минимальные зимние температуры достигают -45ºС и ниже, а продолжительность периода с температурами ниже 0ºС колеблется от 180 до 240 дней. Период, в котором среднесуточные температуры воздуха положительные на островах полярных морей длится 1,0-1,5, на арктическом побережье – 4,0-4,5, на побережье Охотского моря – до 4,5-5,0, а в пределах южной границы криолитозоны – до 5-6 месяцев [39].
В зимнее время в Восточной Сибири формируется область повышенного давления. Доступ влажного воздуха в этот период сюда практически прекращается. В связи с этим в Центральной Сибири зимой преобладает холодная и сухая погода.
Скорость и направления ветров в пределах криолитозоны чрезвычайно разнообразны. На побережьях средняя скорость ветра достигает 5-8 и более, в континентальных областях 1,5-2,5 м/c. В долинах рек среднегодовая скорость ветра равна 7-8 м/с, а максимальные ее значения 40-50 м/с, характерны для побережий северных морей. В континентальных областях криолитозоны максимальная скорость ветра редко превышает 20 м/с.
В пределах криолитозоны осадки незначительны. Их количество для преобладающей территории изменяется в пределах 100-300 мм. И только на западе и северо-востоке их выпадает 400-500 мм. Причем летнее количество осадков, часто превышает зимнее в 4-5 раз. Как правило, мощность снежного покрова определяется не только количеством осадков, но направлением и силой ветра, характером рельефа и типом растительности. Максимальные значения мощности
снега отмечены в среднем течение Енисея (до 100 см), на побережьях северных морей мощность снега достигает 50 см, в центральном и южном Забайкалье колеблется в пределах 15-25 см в лесах и достигает первых сантиметров в степных районах. Продолжительность периода существования снежного покрова в криолитозоне в целом незначительно отличается от продолжительности периода с отрицательными температурами воздуха.
Несомненно, что различие климатических характеристик в криолитозоне, существенно зависит от количества солнечной энергии поступающей на земную поверхность. В северных районах (низкое расположение солнца над горизонтом, полярная ночь) это поступление значительно меньше чем южных. Более низкие значения поступления тепла в верхние слои литосферы объясняются также высокой отражательной способностью снега и льда и большим расходом тепла на их таяние. В связи с этими и некоторыми другими причинами радиационно-тепловой баланс в высоких широтах Земли почти круглый год сохраняет отрицательное значение. От прогрессирующего охлаждения этой территории спасает только влияние морей полярного бассейна [39].
На территории криолитозоны с севера на юг отмечается достаточно четко выраженная зональность изменения почвенно-растительного покрова. В зоне полярной пустыни растительный покров представлен небольшими пятнами зеленых мхов, в арктической тундре преобладают моховые и осоково-моховые ассоциации растительности с примесью лишайников. В тундре, в долинах рек уже встречаются кустарниковые ивы, ольха и карликовые березки. Для лесотундры характерно лиственничное редколесье. В таежной зоне преобладают многоярусные сомкнутые лиственные леса. Растительность лесостепи представлена в основном смешанным зеленомошным с развитым травяным покровом лесом. На степных участках преобладают кустарники и злаковое разнотравье. В степной зоне господствуют ковыли.
Строения криолитозоны по разрезу и площадь ее распространения зависит от многих разномаштабных факторов.
Южная граница ее распространения в зависимости от климатических ритмов может перемещаться с юга на север и обратно на тысячи километров, а мощность – изменяться от первых метров до первых километров. В настоящее время установлено, что южная граница современной и реликтовой криолитозоны не совпадают. По разрезу, от кровли до подошвы, ее распространение может быть сплошным и прерывистым, а строение с учетом генезиса моно-, ди- и поликриогеным, разновозрастным, имеющим сквозные и несквозные талики. По отношению к подошве сезонной многолетняя криолитозоны бывает сливающейся и несливающейся.
Условная граница, проводимая на картах по южным островам мерзлых пород, называется южной границей современного распространения многолетнемерзлых пород. К югу от нее располагается область распространения талых и немерзлых пород с сезонным промерзанием поверхностного слоя (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Вертикальный разрез криолитозоны[8, 45]
1- южная граница реликтовых(1а) и современных многолетнемерзлых пород; 2 – слой сезонного промерзания (2а) и протаивания(2б); 3 – несквозные талики; 4 – современные несливающиеся многолетнемерзлые породы; 5 – сквозные талики; 6 – современные сливающиеся многолетнемерзлые породы; 7 – реликтовые сливающиеся и несливающиеся многолетнемерзлые породы.
По площади распространения криолитозона подразделена на две зоны (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Распространения криолитозоны в «Южной» (а, б, в) и «Северной» (г) геокриологических зонах [9]:
а - редкоостровное, б – массивноостровное, в – прерывистое, г – сплошное. Площадь криолитозоны заштрихована
Большой пестротой и неоднородностью геокриологических условий отличается южная геокриологическая зона, подразделяемая по особенностям распространения, среднегодовым температурам и другим геокриологическим характеристикам на три подзоны (см. рис. 3.3). Здесь кроме островов, мелких и крупных ее массивов на всех элементах рельефа широко развиты талые породы — талики.
Подзона редкоостровной и массивноостровной криолитозоны имеет наибольшую площадь развития в южной геокриологической зоне. На ее равнинах она встречается на участках верховых болот, сложенных оторфованными суглинками и супесями, на торфяных буграх пучения, а также в пределах густых темнохвойных лесов, затеняющих почву летом и задерживающих снег на кронах зимой. В предгорьях и гольцовых районах она приурочена к замшелым склонам с чехлом суглинисто-щебнистых образований. Строение и свойства пород редкоостровной и массивноостровной криолитозоны отличаются большой динамичностью. Это обусловлено тем, что короткопериодных климатических ритмов достаточно
для того чтобы нарушить их устойчивость, поскольку температура пород колеблется в пределах от 0,0 до -2,0ºС.
Подзона прерывистого распространения криолитозоны характеризуется преобладанием мерзлых пород, занимающих более 75% территории. В горных ее районах сквозные талики приурочены к участкам закарстованных пород и обводненным разломам (трещиноватым зонам поглощения поверхности вод и зонам разгрузки подземных вод). В районах развития рыхлых четвертичных отложений сквозные и несквозные талики формируются под реками и озерами, в песчаных массивах эолового, аллювиального и флювиогляциального генезиса и на обводненных низинных болотах.
Мощность криолитозоны в южной геокриологической зоне варьирует в соответствии с изменением площади их распространения. В подзоне редкоостровного распространения она достигает 15 м, массивноостровного - 50 м и в подзоне прерывистого - 100 и более м. Следует отметить, что в каждой из подзон, на ограниченных участках мощность криолитозоны может в 1,5-2 раза превышать или быть меньше ее фоновых значений.
В северной геокриологической зоне выделяют две подзоны: преимущественно сплошного и сплошного распространения криолитозоны. В первой среднегодовые температуры пород изменяются от -0,5 до -3°С, Для нее характерно наличие редких несквозных таликов. В пределах второй подзоны среднегодовая температура пород криолитозоны ниже -3°С, а талики развиты лишь под крупными реками и озерами.
В горных областях юга Сибири, Средней Азии и на Кавказе, зона сплошного распространения криолитозоны находится в высокогорье: в горном Алтае она начинается с высоты 2700 м, в Джунгарском Алатау - с 3000-3350 м, на Тянь-Шане и Памире - с 3500-4500 м, на Кавказе - с
3000-3500 м. С высотой среднегодовые температуры по-
род криолитозоны понижаются от долин к; водоразделам, достигая на отдельных вершинах до -13 – -15 °С. В целом понижение среднегодовой температуры с высотой происходит с градиентом 0,4-0,6°С на 100 м высоты [40].
Даже в самых суровых климатических условиях криолитозона не встречается повсеместно. Как правило, ее нет под руслами крупных рек, на хорошо прогреваемых водоразделах и склонах южной экспозиции, под озёрами, в местах концентрированной разгрузки подземных вод или на площадях их инфильтрационного питания, под частью современных ледников, вулканическими жерлами, над внутриземными термическими аномалиями, связанными с окислительными реакциями.
Геокриологические процессы - один из важнейших фак-
торов оценки инженерно-геокриологической обстановки в криолитозоне при ее освоении. Все они могут быть подразделены на три группы. Первая включает собственно мерзлотно-геологические процессы: морозобойное растрескивание, жильное льдообразование, криогенное выветривание, морозное пучение, наледообразование и термокарст. Вторая объединяет склоновые процессы, обусловленные в первую очередь действием сил гравитации. К ним относятся солифлюкция и курумообразование. Процессы третьей группы связаны с механическим воздействием на мерзлые породы экзогенных агентов природной среды (ледников, водных потоков, ветров) и представлены термоэрозией и термоабразией. Особенности распространения, интенсивность развития и проявления экзогенных процессов в криолитозоне в целом определяются ландшафтно-климатическими и мерзлотно-геологическими факторами и условиями [8, 9].
Таким образом, криолитозона, как среда для размещения и эксплуатации инженерных сооружений отличается специфическими условиями, не учитывая которые невозможно достичь эффективного и устойчивого природопользования в условиях Сибири.