III.11. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
НАЛЕДЕЙ И НАЛЕДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
Наледи представляют собой мерзлотно-гидрогеологи-ческие явления, и их образование связано с гидрологической, гидрогеологической и мерзлотной обстановками территории и климатическими условиями. Наледи являются сезонными образованиями, возникающими в холодное время года и разрушающимися в теплое. Наличие не оттаивающего полностью (многолетнего) наледного льда на наиболее крупных наледях в суровых мерзлотных и климатических условиях и при благоприятной геоморфологической ситуации по существу не меняет дела. Объем многолетнего льда невелик, особенно по сравнению с ежегодно образующимся и оттаивающим количеством льда, которое превышает его на один-два порядка. Многолетний налед-ный лед редко погребается, на одном месте существует всего несколько лет, его геологическая и рельефообразующая роль невелика. Напротив, сезонные наледеобразовательные процессы являются очень активным фактором природной среды крио-литозоны. Так, наледи концентрируют в себе часть подземного стока зимой, а талые наледные воды пополняют летне-весенний поверхностный сток. Наледеобразование активно воздействует на рельеф и отложения, формируя специфические «наледные поляны», «наледные долины» и «наледный аллювий». Велико влияние наледей на инженерные сооружения, особенно дороги.
Наледи образуются из поверхностных вод, а также за счет различных категорий подземных .вод. Многие наледи имеют смешанные источники питания. Размеры наледей разнообразны: их площади варьируют от нескольких квадратных метров до десятков квадратных километров; мощность наледного льда — от первых десятков сантиметров до 4—8, редко до 20 м, а его объемы — от нескольких кубических метров до десятков миллионов кубических метров. Генезис наледеобразую-щих вод и размеры наледей не имеют жесткой связи. Однако большинство малых наледей образуются за счет вод СТС„
130
речных и грунтовых вод таликов в долинах рек и ручьев. Крупные и гигантские наледи связаны всегда с разгрузкой вод глубокого подмерзлотного стока, иногда через промежуточные коллекторы — подрусловые талики в днищах долин рек, где к ним примешиваются грунтовые аллювиальные воды.
Для образования наледей необходим ряд природных условий, которые определяют региональные, зональные и сектори-альные особенности их распространения.
1. Наличие поверхностных и (или) подземных вод, выхо
дящих на поверхность земли или льда в зимнее время и расте
кающихся по ним. Наледеобразование характерно для южной
геокриологической зоны, где существует круглогодичный сток
в малых и средних реках, и гидрогеологических структур се
верной геокриологической зоны с активным водообменом. К та
ковым относятся гидрогеологические структуры горио-складча-
тых областей, особенно испытывающих активные контрастные
новейшие движения, обновляющие и образующие вновь разрыв
ные нарушения. Эти разломы служат путями движения подзем
ных вод. Известны наледи и на периферии артезианских бас
сейнов платформенного типа, представлящих собой глубоко
расчлененные плато, например западная часть Тунгусского ар
тезианского бассейна на северо-востоке Среднесибирского плос-'
когорья.
2. Суровые климатические условия, особенно в зимнее вре
мя: низкие температуры воздуха, маломощный снежный по
кров, в некоторых районах сильные ветры и перераспределение
снега. Холодные, малоснежные зимы благоприятствуют замер
занию вод, выходящих на поверхность земли, речного или озер
ного льда. В многоснежных районах с относительно мягкими
зимами воды ручьев, небольших рек, источников под мощным
покровом снега, не замерзая, стекают в течение всего холод
ного периода. Например, наледи практически отсутствуют на
Камчатке и Кольском п-ове, для которых характерен холодный
морской климат с мощным снежным покровом. Поэтому весь
ма благоприятные условия для наледеобразования и наиболь
шее число наледей характерны для внутриконтинентальных гор
ных областей Евразии: Байкальской, Даурской, Верхояно-Ко-
лымской и др.
3. Геокриологические условия, соответствующие регионам с
резко континентальным климатом, для которых характерно
глубокое сезонное промерзание пород водоносных таликов. Се-
зонномерзлый слой является препятствием для стока грунто
вых вод, вызывает их сезонный криогенный напор и прорывы
на поверхность.
Наличие мерзлых толщ не является обязательным условием для формирования наледей. Наледи распространены и южнее мерзлой зоны при наличии глубокого сезонного промерзания (например, в.Южном Забайкалье, на юге Сибирской платформы). Вместе с тем наличие мерзлых толщ, возрастание их
5* V 131
сплошности и различия в мощностях оказывают огромное влияние на особенности наледеобразования. Для зон глубокого сезонного промерзания, островного и прерывистого распространения ММП, где обширные площади занимают талики с грунтовыми водами, характерны многочисленные малые, реже средние наледи. По мере увеличения сплошности и мощности мерзлых толщ, сокращения размеров таликов, преобладания среди них гидрогенных и гидрогеогенных типов происходит концентрация путей стока и разгрузки подземных вод; мест разгрузки становится меньше, а дебит источников возрастает. Это явление названо Н. И. Толстихиным, Н. В. Вельминой, А. И. Ефимовым «криогенным коптажом» подземных вод. В результате ниже многодебитных источников формируются большие по размерам наледи: очень крупные и гигантские. Таким образом, зонально увеличивается размер наледей, но сокращается их количество.
Второй зональной закономерностью являются неодинаковое местоположение наледей в рельефе и разная связь с новейшей разрывной тектоникой. В южной геокриологической зоне наледи располагаются на склонах, у подножия гор, в днищах логов и долин рек. При этом отсутствует непосредственная связь разрывной тектоники с положением наледей. Последние являются преимущественно наледями грунтовых вод. Наледи вод глубокого стока находятся существенно ниже по уклону рельефа от местоположения водоносных таликов, приуроченных к разломам. Выходы вод по последним фиксируются зимой незамерзающими полыньями в руслах рек. В северной геокриологической зоне подавляющее число наледей приурочено к днищам долин, причем к местам пересечения ими тектонических разломов. Многие наледи подземных вод буквально «нанизаны» на новейшие разрывные нарушения, а крупнодебитные источники дают начало долинам водотоков.
Третьей зональной закономерностью, является различное взаимоотношение водоносных таликов и наледей. По этому признаку выделяются три типа наледей: северный, умеренный и южный (рис. III.16).
Наледи северного типа образуются в условиях мощных низкотемпературных мерзлых толщ, обычно непосредственно около мест разгрузки подземных вод. В зимнее время вся вода фиксируется в наледях. Ниже последних отсутствуют водоносные талики, по которым подземные воды могут стекать зимой. Все талики, по которым вода зимой распределяется по площади наледеобразования, слепо оканчиваются в ее пределах. Таким образом, причина выхода подземных вод на поверхность — сужение, а затем и исчезновение талика — постоянного пути стока. Ниже места разгрузки СТС в суровых климатических условиях осенью быстро промерзает. Сроки начала наледеобразования, завершения промерзания СТС, начала разрушения наледи мало варьируют из года в год. Это обусловли-
132
Рис. III.16. Схема формирования наледи северного (I, a; 1,6), умеренного
(II, а; II, б) и южного (III, а; III б) типов:
/ — наледь; 2 — наледный бугор; 3 — скальные породы; 4 — гравийно-галеч-
никовые отложения; 5 — пески; 6 — супеси и суглинки; 7 — ММП; 8 — тре-
щиноватость по разрывным нарушениям; 9 — границы ММП (а), сезонного
промерзания отложений (б); 10 — направление движения подземных вод
вает важную особенность наледей северного типа: их местоположение и объем ежегодно образующегося наледного льда остаются во времени практически неизменными. Форма наледей, их площадь, средняя мощность и распределение мощностей льда по площади изменяются из года в год. В гидрогеологических структурах, где распространены преимущественно
133
наледи северного типа, в зимний «воднокритический период», когда отсутствует питание подземных вод водами атмосферного происхождения, возможна оценка естественных ресурсов подземных вод по объемам наледного льда (Толстихин, 1974; Соколов, 1975).
Наледи умеренного типа формируются в гидрогеологических структурах преимущественно северной геокриологической зоны. Они представляют собой наледи вод глубокого под-мерзлотного стока и смешанного питания (за счет вод глубокого стока и грунтовых вод подрусловых таликов). Местоположение этих наледей стабильно. Под наледями существуют водоносные грунтово-фильтрационные талики, по которым часть воды зимой уходит с площади наледеобразования. Однако живое сечение этих таликов меньше, чем расход разгружающихся подземных вод. Зимой оно еще больше уменьшается за счет глубокого сезонного промерзания отложений. Количество уходящей воды изменяется из года в год в зависимости от многих причин: суровости и снежности осенне-зимнего периода, изменения глубин сезонного промерзания пород водоносных таликов, что меняет их живое сечение и соотношение количества воды, стекающей и разгружающейся под влиянием криогенного напора. В результате объемы ежегодно образующегося наледного льда, его мощности, площади наледей подвержены многолетним изменениям. Сроки начала и конца образования, местоположение наледей, особенно расположенных цепочками в долинах рек, также меняются. В малоснежные суровые зимы наледи умеренного типа начинают образовываться рано, непо-средственно над выходами подземных вод, в них концентрируются максимальные объемы льда. Напротив, в теплые многоснежные зимы начало наледеобразования запаздывает, а его место смещается ниже выходов вод; в результате уменьшаются объемы и мощности льда, а часто и площади наледей.
Наледи южного типа источниками питания имеют преимущественно грунтовые воды, верховодку, а также воду поверхностных водотоков, которые сами в зимнее время питаются за счет разгрузки подземных вод. Они приурочены к обширным водоносным таликовым зонам, размеры которых существенно больше самих наледей. Причиной выхода на поверхность земли грунтовых вод является появление криогенного напора в результате сезонного промерзания отложений. Величины напора обусловлены как глубиной сезонного промерзания, так и положением зеркала грунтовых вод в осенне-зимний период, Последнее в свою очередь существенно зависит от погодных условий осени. Наиболее благоприятные условия для образования наледей — это дождливая осень, когда обеспечивается высокое положение уровней грунтовых вод, и последующая холодная малоснежная зима с глубоким сезонным промерзанием отложений.
В результате для наледей южного типа характерно ежегод-
134
ное изменение их местоположения, размеров и объемов льда., Многие наледи образуются не ежегодно, кроме того, на интенсификацию наледеобразования в южной геокриологической зоне и зоне глубокого сезонного промерзания существенно влияют техногенные нарушения, особенно строительство железных и шоссейных дорог. Образование техногенных наледей негативно воздействует на инженерные сооружения. Борьба с ними является актуальной и дорогостоящей задачей.
Геологическая и геоморфологическая деятельность наледей существенно зависит от их. размеров, мощности наледного льда, длительности существования на одном месте. Наледи большой мощности (более 2—3 м) тают & течение значительной части лета. В результате растительность на площади наледеобразования или отсутствует совсем, или представлена угнетенными кустарниками. Древесная растительность в таких условиях гибнет. Зонально с севера на юг, по мере уменьшения мощностей наледного льда, период их таяния сокращается и воздействие на растительность ослабевает.
Процесс ежегодного весенне-летнего разрушения наледей сопровождается перемывом пород их ложа, размывом почвен-но-растителъного покрова и выносом мелкозема талыми налед-ными водами, а также боковой эрозией элементов рельефа, ограничивающих место наледеобразования (террас, склонов долин и др.). В результате образуются округлой формы плоские поверхности, с многочисленными руслами (летом преимущественно сухими), называемые наледными полянами. В долинах рек, особенно горных, наледные поляны создают систему расширений, а сливаясь между собой — наледные долины. На наледных ...полянах залегают обычно гравийно-галечные отложения с песчаным заполнителем и валунами — так называемый наледяый аллювий. Эти отложения обычно серого цвета, хорошо промытые и лишенные пылевато-глинистых фракций*. резко контрастируют с другими типами дисперсных отложений в долинах рек и межгорных депрессиях, для которых характерен пылеватый состав (рис. III.17).
Хорошо прослеживается зональный характер влияния наледей на ландшафты. На севере в суровых геокриологических условиях современные наледные поляны имеют яркий облик. Они лишены растительности и сложены хорошо промытым на» ледным аллювием. С севера на юг облик наледных полян меняется: уменьшаются их размеры, поверхность бывает покрыта кустарниками, появляются небольшие деревья. Наледи южного типа небольшие, быстро исчезающие весной — в начале лета, на растительность воздействуют слабо, а на рельеф и подстилающие отложения не оказывают заметного влияния.
В горных регионах северной геокриологической зоны широко распространены древние наледные поляны, обладающие характерным микрорельефом, но уже покрытые мохово-торфяни-стой, а иногда и кустарниковой растительностью; поверхность
135
Рис. III. 17. Наледный аллювий и наледный микрорельеф ниже гигантской наледи. Каналы стока подчеркнуты остатками наледного льда
их часто осложнена полигональным микрорельефом, связанным с криогенным растрескиванием и развитием эпигенетических повторно-жильных льдов в наледном аллювии. Размеры совре менных наледных полян часто бывают существенно больше, чем площади образующихся в их пределах наледей. Древние формы наледного рельефа встречаются и в южной геокриологической зоне, и за ее пределами. Все это свидетельствует о связи наледеобразования, во-первых, с длительными изменениями геокриологических условий и климата, во-вторых, с наличием многолетней миграции крупных наледей северного и умеренного типов, которая существенно расширяет площади и увеличивает эффект воздействия наледей на рельеф и отложения мерзлой зоны.
Многолетняя миграция наледей имеет несколько причин, которые связаны как с внутренними свойствами самих наледных систем (т. е. поверхностных и подземных вод, таликов, наледей), так и внешними воздействиями, а именно с новейшей тектоникой и сейсмическими явлениями, горными и покровными оледенениями и их динамикой.
Крупные и гигантские наледи в тектонических впадинах Верхояно-Чукотскои горной области испытывают автоколебательные изменения площадей и формы. Наледи оказывают различное термодинамическое воздействие на талики, мерзлые породы и подземные воды. В суровых геокриологических и климатических условиях разгрузка подземных вод происходит по напорно-фильтрационным таликам как непосредственно на по-
136
верхностк, так и через промежуточные коллекторы: аллювиальные, флювиогляциальные и пролювиальные отложения. В них существуют грунтово-фильтрационные талики, распределяющие воду по площади наледеобразования. Наледный лед накапливается как над источниками и таликами, так и на многолетне-мерзлом субстрате. Зимой наледный лед предохраняет выходы вод от непосредственного охлаждения воздухом. Это позволяет водам стекать достаточно далеко грунтовым стоком по таликам, по каналам под толщей наледного льда или по тоннелям внутри него (рис. III. 18). Пути движения таких вод и места их про-
![]() |
Рис. II 1.18. Тоннель в основании гигантской наледи в Селенняхской
тектонической впадине. Видна слоистость наледного льда
рыва на поверхность фиксируются на наледях цепочками на-ледных бугров. Весной и летом наледный лед по этим путям протаивает в первую очередь, образуя каналы, ограниченные стенками из наледного льда. Последний имеет наибольшую-мощность вдоль таких каналов и поэтому может летом оттаивать не полностью. Наледь становится многолетней. Осенью именно эти каналы над водотоками и таликами забиваются в* первую очередь наледным льдом. Поверхностные водотоки и. потоки грунтовых вод по таликам предохраняются этим льдом от воздействия морозов. В результате талики увеличиваются, наледь становится длиннее, но мощность наледного льда вдоль
137
каналов уменьшается настолько, что он может полностью стаять летом. Такая тенденция продолжается несколько лет. В результате исчезает канал в наледи, перекрывающийся осенью новым наледным льдом и отеплявший талик. Наступает следующий этап существования наледи (как однолетней), на котором происходят промерзание «распределяющего» талика и сокращение его длины. В силу этого протяженность наледи по долине уменьшается, она становится более компактной, мощность льда возрастает и наледь вновь превращается в многолетнюю. В дальнейшем цикл повторяется. Короткопериодные климатические колебания могут влиять на описанные циклы миграции наледей, растягивая или сокращая, но не изменяя их по существу.
Существует миграция наледей вдоль разрывных нарушений, особенно ограничивающих межгорные тектонические впадины или разбивающие их складчатое основание и промороженный осадочный чехол. Миграция обусловлена смещениями напорно-фильтрационных таликов в результате изменения трещиновато-сти, а следовательно, и проницаемости пород при новейших подвижках. Части массивов пород с увеличивающейся трещи-новатостью протаивают; напротив, там, где трещиноватость и проницаемость уменьшаются, породы разломов промерзают. •Смещение талика приводит к многолетней миграции наледей. В результате образуются невысокие террасовые уровни, часто многочисленные, обработанные в геологическом прошлом наледями.
В сейсмоактивных районах А. Г. Топчиевым установлено воздействие происходивших в последнее десятилетие землетрясений на наледеобразование. В периоды повышения сейсмической активности одни наледи (или группы наледей) заметно увеличивали свои размеры, другие — становились меньше. Конфигурация наледей существенно менялась по сравнению с периодами лет, когда значительных землетрясений не было. В Верхояно-Чукотской горной области, в районах с высокой сейсмичностью, установлены новообразование и исчезновение гидрогеогенных напорно-фильтрационных таликов, обычно приуроченных к пересечению новейших и омоложенных разломов .(Афанасенко и др., 1974). Так, прорыв высокоминерализованных подземных вод по новообразованному талику в районе хр. Кулар сопровождался развитием наледи, уничтожившей лес на склоне, который начал превращаться в наледную поляну. 'По остаткам деревьев удалось установить, что талик и наледь образовались около 100 лет тому назад.
В пределах наледного узла в Селенняхской тектонической ;впадине, изученного П. Ф. Швецовым и В. П. Седовым (1941) и повторно обследованного Н. Н. Романовским, В. Е. Афана-•сенко и М. М. Корейшей (1973), было зафиксировано исчезновение одного источника на склоне горы, питавшего верхнюю "Кырскую наледь, и новообразование другого. Здесь на месте
138
небольшого озера образовалась куполообразная наледь с выходом в ее центре источника подземных вод.
Во всех случаях прорывы подземных вод по разломам через 200—300-метровые мерзлые толщи объясняются сочетанием новейших движений и гидравлических ударов при сейсмических толчках. Влияние новейших движений и сейсмических явлений на наледеобразование устанавливается в суровых геокриологических условиях, где существуют мощные мерзлые толщи и водоносные гидрогеогенные и гидрогенные талики. Здесь развиты наледи северного и умеренного типов.
Наледеобразование тесно связано и с оледенениями. Под ледниками, часть которых имеет температуру придонных слоев льда, близкую к точке плавления, и залегает на талом ложе, происходит процесс донного таяния льда (V.8). Талые воды в одних случаях по подледным каналам выходят из-под ледника, в других — под большим давлением инфильтруются в трещиноватые породы скального ложа, пески, галечники и другие проницаемые отложения. Эти воды стекают к периферии ледника и разгружаются здесь по напорно-фильтрационным таликам, приуроченным к разломам, переуглубленным участкам ледниковых долин, ограниченных ледниковыми ригелями или просто встречая на своем пути мерзлые толщи. Поэтому ниже ледников, особенно в горных регионах с активной новейшей тектоникой, суровым климатом и низкотемпературными мерзлыми толщами, широко распространены наледи.
Исследованиями в Верхояно-Чукотском регионе установлено, что наледеобразование как показатель активности подземных вод и формирование наледных форм рельефа интенсифицировались в периоды наибольшего развития ледников, связанных с криохронами плейстоцена. При деградации ледников ослабевало и наледеобразование. При этом наледи в местах современного оледенения (Буордахский массив, хр. Сунтар-Хаята и др.) образуются в верхних частях ледниковых долин вблизи небольших ледников, а также в нижних, вблизи выходов из гор и в межгорных впадинах. В средней (горной) части долин развиты крупные древние наледные поляны — свидетельства активного наледеобразования в прошлом, при больших размерах оледенения. Следы крупных наледей в виде древних наледных полян известны и перед конечноморенными грядами покровных оледенений Европы.
Глава IV
ЗОНАЛЬНЫЕ И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СИНКРИОГЕННЫХ И ЭПИКРИОГЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ТОЛЩ