Мерзлотоведение (геокриология) — одна из новейших наук о Земле. Объектом исследований ее являются мерзлые горные породы, процессы и явления, с ними связанные, при взаимодействии с вмещающей средой. Эта наука создана преимущественно советскими исследователями. Как и многие другие науки, она возникла под влиянием требований жизни — практики строительства и развития хозяйственной деятельности в районах распространения многолетнемерзлых (вечномерзлых) горных пород. В ее задачи входят накопление фактических данных и разработка теоретических положений о физико-географических закономерностях развития, распространения, свойствах и составе мерзлых горных пород, с одной стороны, а с другой стороны — исследование научных достижений при строительстве на мерзлых грунтах, использовании естественного зимнего холода, льда и мерзлых горных пород в народном хозяйстве, тепловой мелиорации почв.
Как известно, площадь распространения многолетнемерзлых горных пород только в пределах СССР близка к 10 млн. км2. В то же время на остальной столь же обширной части нашей страны в зимний период почти повсеместно ежегодно происходит сезонное промерзание почв и грунтов на ту или иную глубину от поверхности. Сам факт такого широкого распространения мерзлых пород свидетельствует о важной роли, которую они играют в природе страны, а также в хозяйственной деятельности людей.
История накопления знаний о многолетнемерзлых породах и явлениях, с ними связанных, достаточно длительная. Коренные жители северных районов знали о них (хотя и очень мало) с самых давних исторических времен.
Первое обобщение сведений о мерзлых породах принадлежит русскому историку и географу XVIII в. В. Н. Татищеву (1736). В середине того же века великий ученый-энциклопедист М. В. Ломоносов создал вполне обоснованное представление о происхождении, условиях развития, возможности сохранения толщ мерзлых горных пород в зависимости от географической широты местности и ее абсолютной высоты. Исключительно большое значение для изучения мерзлых горных пород имела трехлетняя экспедиция А. Ф. Миддендорфа, снаряженная на средства Российской Академии наук в первой половине прошлого века (1843—1846 гг.), которой был собран большой фактический материал о природе территории с «вечной мерзлотой» на огромном пространстве Сибири и Дальнего Востока.
С началом строительства в 90-х годах прошлого века Великого Сибирского железнодорожного пути, который в пределах Забайкалья пролегал по вечномерзлым грунтам, строители непосредственно столкнулись с большими затруднениями при проходке в мерзлых грунтах. Это послужило серьезным экзаменом строителям и сигналом для изучения новых, ранее не встречавшихся условий. По просьбе Управления строительства Сибирской железной дороги была создана специальная комиссия Русского географического общества, которая разработала первую «Инструкцию для изучения мерзлоты почвы в Сибири», опубликованную в 1895 г. В 1889 г. А. И. Воейковым была опубликована первая сводка данных о мерзлых породах по линии строительства железной дороги в Сибири. Много новых данных было получено в результате работ по изысканию пути инженерами-геологами Л. А. Ячевским, В. А. Обручевым, А. Э. Гедройцем, А. В. Львовым и другими. В первой четверти XX в. продолжались отдельные исследования мерзлых горных пород. Стали появляться работы об инженерных сооружениях на мерзлых грунтах (Н. С. Богданова и др.)-
За рубежом в тот период хотя и велись некоторые исследовательские работы по изучению мерзлых пород и явлений, им сопутствующих,— на Аляске, на Шпицбергене, на севере Швеции и в некоторых других странах,— но проводились они от случая к случаю.
Резкий перелом в изучении мерзлых пород и явлений, ими обусловленных, как и многих других природных факторов, произошел в советское время. Исследовательские работы приобрели плановый характер и целенаправленность. Начался новый этап бурного накопления фактических данных; появился ряд теоретических работ о мерзлых грунтах. Создались условия для формирования самой науки. Этому способствовало два важных факта. Одним из них было издание книги М. И. Сумгина «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР», опубликованной во Владивостоке в 1927 г. В ней дана сводка важнейших результатов исследований мерзлых пород, критически рассмотрены теории развития мерзлых пород и процессов, происходящих в них, описаны новые явления, наблюдавшиеся лично автором в природе («нулевая завеса» и другие) и установленные в лаборатории, разработаны первые обзорные карты распространения мерзлых горных пород и температурных зон в СССР, указаны главнейшие научные проблемы для дальнейшего изучения. Монография о вечной мерзлоте почв М. И. Сумгина явилась капитальным трудом, основополагающим и утверждающим новую научную дисциплину.
Другим фактом, имевшим также большое значение для развития науки о мерзлых горных породах, послужило создание в системе Академии наук СССР первого научного учреждения для всестороннего изучения мерзлых горных пород — Комиссии по изучению вечной мерзлоты. Необходимость создания такого учреждения была обусловлена задачами широкого освоения районов Севера и Востока нашей страны. Во главе Комиссии стоял Совет под председательством В. А. Обручева; заместителем его был М. И. Сумгин. Комиссия (КИВМ) сумела быстро привлечь к исследованиям большой коллектив как молодых, так и уже опытных исследователей различных специальностей — геофизиков, геологов, географов, инженеров-строителей, дорожников и других. Развернулись полевые исследовательские работы на местах, возникли мерзлотные лаборатории в Москве и Ленинграде.
Свои работы Комиссия согласовывала с представителями многих заинтересованных ведомств и производственных организаций, получая у них всемерную поддержку. Комиссии была поручена роль руководителя и консультанта большинства начинавшихся исследовательских работ в районах с многолетнемерзлыми породами. Ею ежегодно направлялись экспедиции
для комплексных исследований районов крупных новостроек Сибири, Дальнего Востока, Европейского Севера. По ее инициативе проводились Всесоюзные совещания по вопросам исследований мерзлых горных пород, привлекавшие большое число исследователей из разных учреждений.
Расширившийся круг вопросов и объем выполняемых исследовательских работ послужили основанием для реорганизации в 1936 г. Комиссии в Комитет по вечной мерзлоте, а через три года, в 1939 г.— в Институт мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР. В ведении Комитета, а затем и Института мерзлотоведения были мерзлотные станции, созданные на крупных стройках Севера и Сибири,— в Воркуте, Игарке, Якутске, Анадыре, а несколько позднее — на Алдане. В плане работ Института мерзлотоведения наравне с тематикой по исследованиям многолетнемерзлых горных пород значительное место занимали вопросы сезонного промерзания почв и грунтов.
В ряде мест лаборатории были устроены в толще многолетнемерзлых горных пород, на глубинах до 9—12 м от поверхности, где в течение всего года сохраняется более или менее устойчивая отрицательная температура. Стационарные и экспериментальные работы за короткий срок значительно обогатили науку знаниями о мерзлых горных породах.
В годы Великой Отечественной войны исследования мерзлых горных пород не прекращались; они в значительной мере были подчинены интересам обороны страны.
После войны исследования толщ мерзлых пород развернулись еще более широко и имели как теоретическое, так и прикладное направление. Шло строительство самых разнообразных сооружений, коммуникаций, дорог и других объектов. Возникла необходимость уменьшить общепринятую глубину заложения фундаментов и трубопроводов в районах зимнего промерзания грунтов на Европейской части СССР, а также разработать приемы борьбы с пучением на дорогах. В результате исследований, проведенных мерзлотоведами, был получен большой материальный эффект. В районах распространения многолетнемерзлых пород также развернулось грандиозное строительство.
Институт мерзлотоведения стал ведущим учреждением по вопросам изучения мерзлых горных пород в СССР.
Коллективом ученых этого института с участием специалистов из других учреждений была подготовлена большая научная литература. В 1953 г. впервые в СССР была создана кафедра мерзлотоведения (до сих пор единственная в СССР) на геологическом факультете Московского государственного университета. Стал регулярно читаться курс лекций по общему мерзлотоведению и на географическом факультете МГУ; в некоторых других вузах Москвы и Ленинграда начали читаться краткие курсы по мерзлотоведению и проводиться семинарские занятия. Таким образом, было положено начало подготовке молодых кадров специалистов-мерзлотоведов.
Значительным событием явилось создание в 1960 г. в Якутске Института мерзлотоведения Сибирского отделения Академии наук СССР, который возник на базе существовавшего там отделения Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева. Якутский институт мерзлотоведения ныне ведет большие исследовательские работы на крупных новостройках Сибири — в районе Мирного (на месторождениях алмазов, залегающих в мерзлых породах), на Лено-Амгинском междуречье (поиски подземных — подмерзлотных вод), в устье р. Вилюя (на месторождениях газа), на Крайнем Севере и во многих других районах.
В числе главнейших проблем мерзлотоведения, над которыми велась и ведется исследовательская работа в послевоенный период, следует назвать следующие.
Наиболее обширный круг вопросов относится к физико-географической тематике. Это изучение региональных и общих закономерностей развития толщ мерзлых горных пород, процессов и явлений, происходящих в них под влиянием тепловых и фазовых изменений в зависимости от внешних воздействий. Значительные достижения получены в изучении структуры и текстуры промерзающих, мерзлых и протаивающих горных пород и их свойств в различных мерзлотно-географических зонах. Проведенные наблюдения в глубоких буровых скважинах вскрыли новые закономерности, имеющие важное значение как для выяснения строения толщ мерзлых и подстилающих их талых пород (например, распространение второго горизонта мерзлых пород большой мощности в Западной Сибири, термоантиклинальные структуры в районах месторождений нефти, газа), так и для выяснения палеогеографических условий и периода возникновения мерзлых толщ горных пород в ряде районов.
Большой сдвиг произошел в вопросе о генезисе подземных льдов значительной мощности и широкого распространения. Окончательно было доказано, что к таким льдам относятся повторно-жильные льды, а не ледниково-фирновые погребенные, как это признавалось в течение почти 50 лет на основании наблюдений обнажений льдов в берегах материка и островов на Крайнем Севере в начале XX в. Таким образом, вопрос о подземных (ископаемых) льдах получил новое освещение (А. И. Попов, 1953; П. А. Шумский, 1952, и др.). Это оказало большое влияние на производство полевых исследований в районах распространения подземных льдов, привело к пересмотру прежних палеогеографических построений и имело особенно большое значение для геологосъемочных работ. Ценным вкладом в мерзлотоведение явилась монография о подземных льдах П. А. Шумского «Основы структурного ледоведения» (1955).
В результате проведения огромного числа новых исследовательских работ был получен обильный фактический материал по разным районам области распространения мерзлых горных пород, который был положен в основу разработки новых обзорных карт распространения их на территории СССР. Съемка и картирование мерзлых горных пород многих участков, намечаемых под строительство предприятий, производились в более крупном масштабе, чем все предшествовавшие мерзлотные карты; при этом и степень достоверности использованных материалов намного повысилась, что явилось результатом более густой сети разведочных скважин и массовой проверки данных расчетным способом; в этом отношении следует отметить многие работы сотрудников МГУ, выполненные под руководством В. А. Кудрявцева.
За последние годы было опубликовано большое число работ о сезонном промерзании почв и грунтов, методиках их исследований, районировании и картировании. По вопросам исследования многолетнемерзлых горных пород много работ посвящено изучению многообразных криогенных явлений, происходящих в грунтах при промерзании, в мерзлом их состоянии и при протаивании в зависимости от изменений во внешней среде [Основы геокриологии (мерзлотоведения), ч. I, 1959].
Важной проблемой мерзлотоведения является выяснение условий теплообмена между атмосферой, почвой и литосферой (с наличием мерзлых и талых слоев горных пород). С этой целью на некоторых мерзлотных станциях организованы стационарные установки, снабженные приборами для непосредственных визуальных и для дистанционных наблюдений, в том числе с непрерывной фиксацией показателей по приборам. Одновременно с этим изучалась динамика температуры в толще грунтов, процессы массо- и влагообмена, миграции влаги, а также тепловой баланс верхних слоев почв и горных пород для ряда характерных пунктов страны. Из-за сложности названных процессов их изучение развивается сравнительно медленно, несмотря на важное значение их при многих расчетах для различных практических целей. К настоящему времени издан ряд работ по вопросам тепло-, влаго- и массообмена в промерзающих, мерзлых и протаивающих горных породах; они обоснованы экспериментами и физико-математическими расчетами (Н. С. Иванов, 1962; Г. В. Пархаев, 1963; В. Т. Балобаев, 1965, и др.).
Значительные исследования, давшие интересные результаты, были выполнены по подмерзлотным водам и источникам подземных вод в области распространения толщ мерзлых горных пород. В большинстве случаев такие исследования производились и производятся в целях выяснения возможности водоснабжения в районах с мощной толщей мерзлых пород из подмерзлотных горизонтов, а также на Крайнем Севере с суровыми зимними условиями, при которых подача воды по трубопроводам весьма затруднена, а ресурсы воды ограничены.
Ценные теоретические и практические результаты были получены при изучении гигантских наледей — тарынов, имеющих обширную площадь распространения в пределах Верхоянско-Колымской горной страны на северо-востоке Якутии и в некоторых других районах (П. Ф. Швецов и др., 1951). Близкое отношение к этой теме имеет изучение термокарста, развивающегося под воздействием водных масс, во многих случаях при отсутствии процесса деградации вмещающих мерзлых толщ горных пород в пределах исследуемых районов. Изучению термокарста с каждым годом посвящается все больше работ (С. П. Качурин, 1961; В. А. Кудрявцев, 1958, и др.).
В послевоенное время производились экспериментальные исследования возможности жизни растений на холодных почвах в условиях Крайнего Севера (В. П. Дадыкин, 1952). Изучалось взаимодействие растений и мерзлого субстрата в условиях тайги. Почвенные и геоботанические исследования на обширной территории производились в Якутии (В. Г. Зольников, 1954; М. Н. Караваев, 1958, и др.).
Много новых данных получено для выяснения генезиса и истории развития мерзлых толщ Западной Сибири и Европейского Севера (начиная с эпохи древнего оледенения и до современной) с применением новой методики. В основу ее были положены наблюдения по обнажениям речных террас с выходами ископаемых льдов разного генезиса — сингенетических и эпигенетических с вмещающими породами, а также наблюдения над криометаморфическими образованиями, замещающими подземные льды в бывших морозобойных трещинах. Вне области распространения многолетнемерзлых горных пород были исследованы явления в сезонномерзлых слоях грунта, именуемые не совсем точно перигляциальными.
Большое развитие получили проблемы инженерного и прикладного мерзлотоведения, многие из которых разрабатывались и продолжают изучаться во взаимной связи с проблемами общего и регионального мерзлотоведения. Они были изложены в книге Н. А. Цытовича и М. И. Сумгина «Основания механики мерзлых грунтов» (1937), а позднее в книге «Основы геокриологии (мерзлотоведения)», ч. II (1959).
Первостепенное значение в этих исследованиях имеют вопросы теплового и механического взаимодействия инженерных сооружений с мерзлыми грунтами, прогнозы развития различных явлений, могущих привести к деформациям и разрушению зданий и других сооружений.
Проведенные исследования позволили уточнить и расширить методы строительства на различных типах мерзлых горных пород. К двум прежним методам строительства — с сохранением или с уничтожением мерзлого состояния грунтов — прибавилось еще два: с предпостроечным протаиванием грунтов с малой отрицательной температурой (В. Ф. Жуков, 1958) и с приспособлением конструкций сооружений к осадкам при протаивании грунтов (Н. И. Салтыков, 1952).
Значительное развитие получили исследования длительной прочности, ползучести и сопротивления мерзлых грунтов, т. е. их реологических свойств и др. (Н. А. Цытович, 1952; С. С. Вялов, 1959, и др.).
Теоретические основы возведения фундаментов сооружений на мерзлых и оттаивающих основаниях применительно к конкретным условиям разрабатывались многими исследователями мерзлых пород (Н. А. Цытович, 1941, 1958, 1963; Н. И. Салтыков, 1952, и др.). Большое практическое значение имели исследования свайного основания в Якутске, Норильске, Воркуте и других местах (П. И. Мельников, 1964, и др.). В настоящее время такие фундаменты применяются во многих других районах области с многолетнемерзлыми горными породами, в том числе с породами, содержащими прослойки льда. Практическое разрешение получила идея инженера М. М. Крылова (1946), заключающаяся в возведении плотин с мерзлым ядром на мерзлом основании.
Проблема использования естественного льда и мерзлого грунта в народном хозяйстве, первоначально осуществленная по проекту М. М. Крылова (1940—1951 гг.) при строительстве из льда изотермических складов-овощехранилищ, получила дальнейшее развитие. Были предложены и осуществлены различные варианты ледяных складов-хранилищ, сооружены склады в толще мерзлых пород, а также подземные лаборатории в толще мерзлых пород с низкими отрицательными температурами (в Якутске, Анадыре, Игарке и других пунктах Севера).
Были успешно проведены исследования по проходке глубоких шахтных стволов в плывунных и обводненных грунтах методом искусственного их промораживания на большую глубину (под руководством С. С. Вялова).
Выше было указано на большой производственный эффект, полученный при уменьшении глубины заложения фундаментов и трубопроводов в слое сезонного промерзания грунта на территории Европейской части СССР. Аналогичные работы ведутся и в условиях Сибири.
Продолжается развитие геофизического направления в исследованиях мерзлых грунтов. Первые достижения в этом направлении были изложены в специальном томе «Трудов Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР» (в 1947 г.). Электрометрические методы стали использоваться при мерзлотных съемках, при разведке полезных ископаемых, а в последние годы — при глубоких разведках на нефть и газ (Западная Сибирь, Якутия и др.). С помощью этих методов уточняются геологические структуры, влияющие на термический режим толщ мерзлых горных пород. Эти методы используются также при разработке месторождений алмазов и при поисках подземных вод (В. Т. Балобаев, 1964, и др.).
В послевоенные годы стало развиваться новое направление в изучении мерзлых горных пород — физико-химическое. Если раньше считалось, что в условиях наличия мерзлых горных пород физико-химические процессы не активны, то в результате исследований И. А. Тютюнова (1951, 1960) и группы сотрудников, работающих с ним, было доказано, что зона с многолетнемерзлыми горными породами не является зоной химического покоя, наоборот, в ней протекают непрерывно процессы, находящиеся в тесном взаимодействии с термическим режимом окружающей среды (3. А. Нерсесова, 1957, и др.). Дальнейшее развитие получила теория о равновесном состоянии незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах (Н. А. Цытович, 1947—1952), что имеет большое значение для познания многих криогенных процессов.
Таковы в наиболее общих чертах достижения советского мерзлотоведения — одной из самых молодых наук о Земле.
—Источник—
Развитие наук о Земле в СССР. М.: Наука, 1967
Автор: С. П. Качурин
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
