Геологические процессы в зоне вечной мерзлоты

 

Федеральное агентство  по образованию

Федеральное государственное  образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«Южный Федеральный  Университет»

геолого-географический факультет

 

 

 

 

Курсовая работа

на тему:

               «Геологические процессы в зоне  вечной мерзлоты»

 

 

 

Выполнила:

студентка  1к. 3 гр.

Кирносова  Татьяна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ростов - на - Дону

2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………3

1.Геологические процессы в криолитозоне………………………..…………..4

    1.1.Распространение…………………………………………………..………4

    1.2.Произхождение криолитозоны………………………………..…………4

    1.3.Строение криолитозоны……………………………………………..…...7

    1.4.Типы подземных льдов………………………………………………..….8

    1.5.Подземные воды в криолитозоне…………………………………...……9

    1.6.Криогенные формы рельефа………………………………………..…...10

    1.7.Термокарст……………………………………………………………….11

2.Геологические процессы в многолетнемерзлых горных породах………...13

    2.1.Площадь распространения ММП………………………………………14                                                                                                                                                                                             

    2.2.Геологический разрез вечной мерзлоты…………………………….…15

    2.3.Геологические процессы, связанные с ММП..………………….……..16

    2.4.Проблема изменения климата……………………………………….….20

    2.5.Ледниковые покровы и мерзлота…………………………………..…...22

3.Хозяйственная деятельность в криолитозоне………………………….…...23

Заключение………………………………………………………………….…..27

Список литературы……………………………………………………….…….28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Многолетняя мерзлота — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью — это Австралия, в Африке, возможно, её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90 %. В многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности гидрата метана.

Верхний слой земной коры, являющийся ареалом распространения  многолетней мерзлоты, называют криолитозоной. Нижней границей криолитозоны служит изотерма 0°С. Температура верхних  горизонтов мерзлоты в начале и конце  тёплого сезона года переходит через 0°С. В ходе циклических процессов  промерзания и оттаивания в её кровле формируется сезонно-талый  слой. Если горные породы протаивают глубже этого слоя и не промерзают в зимнее время, то кровля многолетней мерзлоты понижается, и возникают талики различного размера и глубины.

Главные характеристики мерзлоты – распространение, мощность, льдистость и температура, криогенные образования (формы рельефа). Их распределение в пространстве подчиняется основным географическим закономерностям: широтной зональности, высотной поясности и секторности.

 

 

 

 

 

 

 

1.ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ

 

1.1.РАСПРОСТРАНЕНИЕ

 

Криолитозона  широким кольцом охватывает пространство вокруг Северного Ледовитого океана и занимает в целом около 25% площади всей суши и 64% территории России. Многолетнемерзлые породы есть в виде “островов” и в привершинных участках высокогорных хребтов в Альпах, на Кавказе, на Тянь-Шане и Памире, в Гималаях и других местах, занимая, в общей сложности 3 млн. км2. Крупный ареал высокогорной мерзлоты (2 млн. км2») охватывает Тянь-Шань, Памир и Гималаи, достигая на юге 27° с.ш. Благодаря суровым зимам в России, практически весь самый верхний слой земной коры вне криолитозоны промерзает на глубину до первых метров. Летом он оттаивает, а в зимний период снова оказывается промороженным. Распространение криолитозоны таково, что в южных районах она располагается отдельными островами среди талых пород. Мерзлые породы имеют мощность 10-25 м и залегают в виде линз. Севернее располагается зона не сплошных мерзлых пород мощностью до 100 м, в которой много таликов - участков непромерзших пород. Севернее, обычно, криолитозона занимает все пространство, а ее мощность увеличивается до 1000- 1500 м. Мощность “вечной мерзлоты” изменяется в очень широких пределах от первых метров по южной окраине ее распространения, до 1000 м и даже 1500 м.

 

1.2.ПРОИЗХОЖДЕНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ

 

Несомненно, что возникновение криолитозоны в Северном полушарии в целом  связано с неоднократными оледенениями, охватывавшими в последние 2 млн. огромные районы. Криолитозона формируется  не только в пространстве, но и во времени. Из предыдущих глав известно, что промерзание верхней части  земной коры происходило в геологической  истории не один раз. Но потом, породы, конечно, оттаивали, местами сохраняя лишь неясные следы былого промерзания. В пределах России установлено, что примерно 2 млн. лет назад, т.е. в позднем плиоцене криолитозона уже существовала в пределах Новосибирских островов, Индигирской и Колымской низменностях. Но в отдельные моменты последующей геологической истории она исчезала и снова возникала. Где-то около 650 000 лет назад возникнув, она уже сохранялась, т.к. один за другим следовали ледниковые эпохи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.2.1. Геокриологическая карта Северного полушария.

Криолитозона: 1 – сплошная,

2 – прерывистая, 3 –

островная

Казалось  бы, где были более мощные ледники  и где они сохранялись дольше всего, там и следует ожидать  максимальные мощности криолитозоны. Однако, картина получается более  сложной. Как раз в тех местах, где находились ледники, мощность криолитозоны меньше, чем в тех местах, где льда не было. Там, в условиях суровых зим горные породы промерзали на большую глубину при прочих равных условиях. В реликтовом состоянии «вечная мерзлота» сейчас находится под дном шельфовых морей северных побережий России, несмотря на спорность существования в их пределах Панарктического ледникового покрова. Если шельфы и не покрывались льдом, то в условиях сильного понижения уровня моря во время последнего оледенения они должны были промерзать на большую глубину.

Таким образом, области сплошной «вечной мерзлоты»  начали возникать еще в позднем  плиоцене – 2 млн. лет назад, но сплошная криолитозона, уже не исчезавшая впоследствии, образовалась около 650 000 лет назад, т.е. в раннем плейстоцене в пределах севера Сибирской платформы. В равнинных участках материков распространение криолитозоны связано с широтной зональностью, т.к. количество солнечной радиации становится меньше к северу, понижаются среднегодовые температуры, увеличивается альбедо – отражательная способность поверхности Земли вследствие длительного сохранения снежного покрова. Снежное поле отражает до 90% солнечной радиации, тогда как вспаханное поле только 7-8%. В горных районах наблюдается высотная геокриологическая зональность. Возможно, что в горах Памира и Гималаях мощность криолитозоны возрастает и до 3000 м.

Мощность  криолитозоны зависит от очень многих факторов: широты местности, ландшафта, рельефа, геологического строения, структуры  и теплового потока. Например, на Анабарском древнем массиве Сибирской  платформы мощность криолитозоны превышает  1000 м, тепловой поток в докембрийских структурах невысокий – 15-25 мВт/м2 и очень маленький геотермический градиент. В то же время на более молодой, эпипалеозойской Западно-Сибирской плите свойственен более высокий тепловой поток – до 50 мВт/м2 и геотермический градиент до 5°С на 100 м. Поэтому на тех же широтах мощность криолитозоны в Западной Сибири в 2-3 раза меньше и колеблется от 300 до 400 м.

 

 

 

 

1.3. СТРОЕНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ

 

В пределах распространения криолитозоны кровля многолетнемерзлых пород всегда залегает на некоторой глубине, которая  определяется мощностью слоя, оттаивающего летом. Этот слой называется сезонноталым, он полностью промерзает. В криолитозоне и на таликах зимой образуется сезонномерзлый слой, который подстилается немерзлыми или талыми породами. Летом  этот слой полностью оттаивает. Глубина  промерзания или протаивания  имеет важное значение и зависит  от количества солнечной радиации, поступающей в данный район летом  и зимой. В южных районах Западного Забайкалья, протаивание летом может достигать 4-6 метров, но рядом, в зависимости от рельефа и ландшафта не превышает и 0,5 м. На крайнем севере, например, на Земле Франца-Иосифа летом оттаивает всего 10-20 см грунта. В криолитозоне всегда находятся участки, где сезонноталый слой не полностью промерзает зимой и участки, где летом не полностью оттаивает сезонномерзлый слой. Оттаивание пород начинается сразу после схода снега и его темп может достигать нескольких десятков см в месяц. Даже на небольшой, казалось бы, однородной в климатическом отношении площади, летнее оттаивание происходит на разную глубину и с различной скоростью. Все зависит от конкретных геолого-геоморфологических особенностей, экспозиции склона, залесенности и т.д. Слои сезонного оттаивания могут промерзать не только сверху, но и снизу, со стороны многолетнемерзлых пород.

Слой сезонного  промерзания и оттаивания чрезвычайно  важен для строительства, т.к. именно его мощностью определяются условия, в которых закладываются фундаменты зданий, забиваются сваи и т.д. Поэтому  составляются детальные карты сезонноталых и сезонномерзлых, в которых происходят фазовые превращения воды, связанные  с поглощением или выделением тепла. Слой с сезонными изменениями  теплового состояния пород очень  быстро реагирует на любое техногенное  вмешательство, при этом могут развиваться  негативные процессы, которые потом трудно ликвидировать. В различных геологических районах строение криолитозоны может отличаться. Местами развиты только мерзлые породы. В других районах, например, на древних платформах, где осадочный чехол перекрывает метаморфический фундамент, первый представлен мерзлыми, а второй морозными породами. На побережьях морей Ледовитого океана под мерзлыми породами залегают охлажденные породы с криопэгами и переход между ними постепенный. Верхняя толща мерзлых пород имеет более молодой возраст, чем более нижняя.

 

1.4.ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ЛЬДОВ

 

Мерзлые породы характеризуются различным содержанием  подземного льда, характером его распределения в породах. Конституционный лед содержится в любых многолетнемерзлых породах. Если порода обладает высокой влажностью, то вода, замерзая и превращаясь в лед, скрепляет, цементирует ее зерна или их скопления. Такой лед-цемент развит шире всего. Лед, который цементирует дисперсные породы, повышает их прочность. Понятие льдистость породы характеризует количество содержащегося в ней льда. Если порода прочная, скальная, то лед заполняет в ней все возможные поры и трещины, которые образовались, естественно, до начала промерзания горной породы. Если глинистые породы начинают промерзать, то влага, содержащаяся в них мигрирует к фронту промерзания, где образуются прослои - шлиры льда различной мощности от долей см до 0,5 м. Такие породы характеризуются гораздо большей льдистостью, а шлиры льда образуют разные криогенные текстуры - сетчатые, слоистые, линзовидные, атакситовые, порфировидные и др.  Породы, содержащие шлиры льда, при своем оттаивании утрачивают повышенную прочность и дают существенную осадку. Льдистость обычно увеличивается в горных породах вверх по разрезу, а с глубиной уменьшается. Если в мерзлые породы приникает вода из таликов или напорных подмерзлотных вод, то возникают инъекционные льды, мощность которых и длина достигает многих десятков метров. В краевых участках горно-долинных и покровных ледников при их таянии и отступании, отдельные массивы льда засыпаются моренами и обвалами и тогда возникает

погребенные лед, который долго не тает. Если порода сформировалась до начала промерзания, то в ней возникают эпигенетические льды, а если промерзание происходит одновременно с образованием породы, тогда она характеризуется сингенетическим льдом. Различные типы повторно- жильных льдов связаны с этими процессами и будут рассмотрены ниже.

Довольно  редко, но встречаются пещерные льды, залегающие в глубоких пещерах, например, в Кунгурской ледяной пещере в Приуралье.

 

1.5. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ

 

Образование многолетнемерзлых пород, являющихся водоупорами, сильно

изменили  условия водообмена атмосферных  и подземных вод в криолитозоне. Большая часть пресных подземных  вод в криолитозоне приурочена к  таликам. Таликами или талыми зонами называются толщи талых горных пород, которые развиты с поверхности земли или под водоемами и реками и которые непрерывно существуют более десятка лет. Если талики снизу подстилаются мерзлыми породами, то они называются надмерзлотными или несквозными, а если талики только обрамляются по бокам мерзлыми породами, как стенками, то они носят название сквозных. Талики также могут быть межмерзлотными и внутримерзлотными в виде линз «тоннелей», «трубы», ограниченными со всех сторон мерзлыми породами.

Подземные воды криолитозоны по отношению к мерзлым  породам – криогенным водоупорам подразделяются на: 1) надмерзлотные; 2) межмерзлотные;  3) внутримерзлотные и 4) подмерзлотные воды.

1. Надмерзлотные  подземные воды подразделяются  на временные воды

деятельного слоя и постоянные воды несквозных таликов.

Временные воды существуют только летом, и глубина  их залегания не превышает кровли мерзлых пород. Воды имеют важное значение для процессов солифлюкции, образования курумов, оплывин, пучения пород.

Постоянные  воды связаны с несквозными таликами над кровлей мерзлых пород, и они отвечают за образование гидролакколитов, бугров пучения, наледей.

2. Межмерзлотные  воды обычно располагаются между  двумя слоями мерзлых пород,  например, между голоценовым верхним  и реликтовым, позднемиоценовым, нижним. Эти воды чаще всего динамически  не активны.

3. Внутримерзлотные  воды, о чем говорит их название  существуют внутри толщи мерзлых  пород и находятся в замкнутых  объемах, будучи приуроченными  к таликам в карстующихся известняках.

4. Подмерзлотные  воды циркулируют вблизи подошвы  мерзлой толщи, обладают положительными  температурами, иногда слабо или  сильно минерализованы и могут  быть напорными и ненапорными,  а также контактирующими с мерзлой породой или неконтактирующими, т.е. отделенными слоем талых пород от мерзлых.