Доктор географических наук Б. ВТЮРИН, заместитель директора Тихоокеанского института географии ДВНЦ АН СССР, и кандидат геолого-минералогических наук Ш. ГАСАНОВ, заведующий лабораторией мерзлотоведения.
Ужасный треск земли и льда, подобный ружейным выстрелам и пушечному гулу. предвещает приближение жестокого мороза. Трещины на льду и земле делаются от стужи. Места сии бывают вдоль и поперек почти непрерывными щелями, так сказать, «изуродованы». Сии -же трещины производят новые ледяные жилы, в разных направлениях землю перерезающие, из коих многие, однако же, жилами и огромными массами внутри грунта заключающимися, одолжены (может быть) своим образованием глубокой древности»
Так полтораста лет назад писал об одном из удивительнейших явлений природы - об образовании жильных льдов - доктор А. Е. Фигурин, участник знаменитой в свое время полярной экспедиции П. Ф. Анжу.
Многолетнемерзлые горные породы, или, как еще говорят, вечная мерзлота, - загадочный «российский сфинкс» - давно привлекает внимание ученых. Сначала она казалась непонятной, загадочной, как африканские сфинксы, вызывала недоумение и ожесточенные споры. Однако за последние полвека усилиями главным образом советских ученых вечная мерзлота раскрыла большинство своих тайн.
Основательно исследованы и изучены географические границы распространения, условия формирования и развития, состав и строение многолетнемерзлых пород.
Как, и любая другая наука, мерзлотоведение возникло из потребностей практики. Первоначально взгляд на вечную мерзлоту был определенным и негативным. Ее рассматривали лишь, как серьезную помеху в хозяйственной деятельности человека. Однако мы знаем, что ни одно природное явление не может быть только «полезным» или только «вредным». Так же, и с многолетнемерзлыми породами.
Даже при небольшом повышении температуры, а это неизбежно бывает при хозяйственном освоении территории - вечномерзлые грунты начинают протаивать. Происходит просадка почвы, возникают опасные, иногда катастрофические деформации сооружений. А получается так потому, что мерзлая порода под фундаментами протаивает неравномерно.
Надо сделать так, чтобы породы под постройкой всегда оставались мерзлыми, тогда любое самое большое здание будет стоять надежно и прочно, как на скале. Эта задача решена вполне успешно. Оказалось, что достаточно заложить в многолетнемерзлые грунты сваи и на них строить здание так, чтобы между полом первого этажа и поверхностью земли был просвет метра полтора-два. Словом, дома на курьих ножках. Зимой под таким зданием беспрестанно циркулирует холодный воздух, а летом грунт под домом затенен от солнца, он мало прогревается и не успевает оттаять. Легкие фундаменты-сваи обходятся даже дешевле, чем обычные фундаменты в средней полосе. Вот, и выходит, что мерзлота «полезна». Сотни многоэтажных каменных домов на сваях уже построены в Норильске, Якутске, Воркуте, Мирном, Анадыре. Их устойчивость не вызывает опасений.
Другой пример горнодобывающая промышленность связана с большими объемами земляных работ. И здесь мерзлые породы выступают в двоякой роли. Если разработка месторождений полезных ископаемых идет в открытом карьере, необходима очень мощная землеройная техника, большие средства приходится тратить на искусственное оттаивание грунтов, и т. д. При подземной разработке месторождений, при шахтном способе мерзлые породы облегчают работы высокая прочность и устойчивость стенок, и кровли подземных выработок нередко позволяют обходиться без дорогостоящего крепления. Список «полезных», и «вредных» свойств вечномерзлых грунтов можно было бы продолжить примерами из гидротехнического строительства, сельского хозяйства, и т. д. Однако и приведенные примеры показывают, что в хозяйственной деятельности человека однозначной и отвлеченной оценки вечной мерзлоты не может быть.
Есть, конечно, такие виды строительства, для которых мерзлота явно противопоказана. Это прежде всего дороги, системы водоснабжения, газопроводы и нефтепроводы.
Многолетнемерзлые породы играют роль гидроизоляционного экрана между поверхностными и подземными водами. Сообщаются они лишь благодаря тому, что под реками и озерами бывают сквозные талики в виде окон. Задача найти источники водоснабжения, а потом подвести воду к потребителю долгое время на Севере была одной из самых сложных. Теперь эта проблема успешно решается объединенный усилиями различных специалистов, в том числе и мерзлотоведов.
Выдвигалось и обсуждалось немало проектов изменить климат северного полушария, сделать его более мягким, теплым. Большинство из этих проектов базируется на изменении циркуляции вод арктического бассейна.
Обсуждая планы работ, которые могут привести к изменению природных условий в широком региональном или даже планетарном масштабе, нельзя забывать о том, что половина территории нашей страны покрыта многолетнемерзлыми горными породами, необходимо учитывать состав и особенности строения этих пород.
Рассмотрим такой пример. Известно, что днища многих так называемых термокарстовых озер на прибрежных равнинах Северной Азии лежат на уровне моря, иногда ниже. Это означает, что, если климат потеплеет, многолетнемерзлые породы на прибрежных равнинах протают, море неизбежно наступит на сушу и поглотит обширные ее пространства. Подводя баланс относительной эффективности таких проектов, в пассив придется отнести не только большие затопленные площади с содержащимися в них полезными ископаемыми, но также учесть и возможные изменения в климате из-за того, что в глубь материка вторгнутся холодные арктические водные массы.
Что же такое многолетнемерзлые породы, или вечная мерзлота, как традиционно, хотя и не совсем правильно, называют этот феномен природы? Ответ можно дать во многих аспектах, поскольку мерзлотоведение в наши дни стало наукой многоотраслевой. Расскажем о составе и строении многолетнемерзлых пород, поскольку именно это в значительной мере определяет те нежелательные для хозяйственной деятельности человека процессы, о которых мы уже говорили.
В мерзлом грунте обязательно есть лед - в виде крупинок, прожилок, слоев, гнезд или крупных залежей. Нередко в мерзлых породах встречаются гигантские массивы льда объемом в сотни тысяч кубических метров. Формы и размеры таких массивов определены условиями, при которых они образовались.
Очень интересны так называемые жильные или, правильнее, повторножильные льды. Они образовались десятки, даже сотни тысяч лет назад и продолжают расти сейчас.
Жильные льды, как решетка, пронизывают грунт. Если на участок с жильными льдами взглянуть сверху, например, с самолета, кажется, что видишь возделанное поле, разделенное на довольно правильные квадраты или прямоугольники со сторонами от 10 до 30 метров. В вертикальном поперечном разрезе ледяные жилы образуют сравнительно правильные клинья, призмы высотой от 2 - 3 метров до 30 - 40 метров и более. Ширина клиньев вверху - от нескольких сантиметров до 10 метров и больше.
До недавнего времени эти льды считали погребенными льдами - остатками ледникового периода. Теперь точно установлено, что это новообразования в многолетнемерзлых породах, никакого отношения к ледниковому-периоду они не имеют.
Как же могли образоваться в твердых, словно камень, мерзлых породах такие огромные ледяные тела? Принципиально правильный ответ на этот вопрос дал еще 150 лет назад А. Е. Фигурин. С выдержки из его научного отчета мы начали эту статью.
Известно, что тела при охлаждении сжимаются, а нагревание тела ведет к его расширению. При определенных условиях (слишком быстрое охлаждение, перепад температур) тело может разорваться, деформироваться, вот почему рельсы укладывают отдельными отрезками, бетонную укладку на аэродромах и дорогах делают из отдельных плит и между ними оставляют зазоры, и т. д. Во время сильных морозов верхние слои земли сжимаются до определенного предела, а потом раскалываются морозными трещинами на отдельные блоки. Возникает примерно такая же сеть трещин (только гораздо более крупная), как на илистом дне высыхающих летом лужиц.
В такие трещины (они обычно бывают около 1,5 сантиметра шириной и глубиной в среднем 3 - 4 метра) весной затекает талая снеговая или паводковая вода и замерзает, потому, что на глубине 2 - 3 метров в это время температура - около минус 10°С. Ледяная жилка вонзилась в грунт. Летом мерзлая порода от нагревания расширяется, но она уже не может занять первоначального положения - ледяной клин прочно занял свое место. В результате мерзлая порода выдавливается вверх, вдоль боковых плоскостей жилок, на поверхности образуются небольшие валики. Процесс этот многократно из года в год повторяется. За тысячи, а иногда и десятки тысяч лет при определенных условиях успевают сформироваться ледяные жилы высотой в десятки метров.
Специалисты научились извлекать из таких льдов определенную пользу. Прежде всего это законсервированные запасы пресных вод. Правда, вода пригодна лишь для технических нужд, но и она очень нужна в таких засушливых районах, как Центральная Якутия. По нашим ориентировочным подсчетам, только на территории СССР запасы повторножильных льдов исчисляются примерно в 1 000 км3. Воду из термокарстовых озер, искусственно образованных на повторножильных льдах, в Якутии уже используют.
Другой пример использования залежей жильного льда - это очень удобный естественный холодильник для хранения продуктов питания, нефтепродуктов, природного газа, и т. п. Не нужны никакие холодильные агрегаты - холод дает сама природа. А если еще сделать так, чтобы холодный зимний воздух беспрепятственно циркулировал через холодильную камеру, устроенную во льду, а летом отток холодного воздуха из камеры ограничить, то холодильник будет «работать», как безупречная машина. Такой конструктивный прием нам подсказала сама природа. Зимой холодный, а, следовательно, более тяжелый наружный воздух, проникая в естественные пещеры, охлаждает их, создает большие запасы холода, образует устойчивые мерзлые породы даже в тех районах, где вечной мерзлоты пет. Например, известная Кунгурская пещера на Урале. Ледяные пещеры есть в Южной Сибири и даже на Кавказе, в Крыму.
Практика освоения Севера показала, что подземные холодильники наиболее выгодно устраивать в повторножильных льдах. Во-первых, во льду значительно легче и дешевле, чем в мерзлой породе, сделать камеры. Во-вторых, холодильники во льду лучше по гигиеническим соображениям в них меньше пыли и грязи.
В свое время М. И. Сутягин предложил устроить в многолетнемерзлых породах холодный музей - сохранить для будущих поколений образцы современной фауны и флоры. Сама природа будет поддерживать необходимый и постоянный режим температуры, и влажности. Такой музей в многолетнемерзлых породах был бы «вечным»
Музей-холодильник, отражающий фауну и флору всех природных зон Земли, конечно, будет иметь не только научное, но, и огромное просветительское значение. Несомненно, рано или поздно такой музей будет сделан. Техническая сторона вопроса не представляет проблемы.
Мы говорили все о повторножильных льдах. Не меньший интерес представляют и другие виды льда, например, гигантские подземные ледяные глыбы. Иногда они имеют форму линзы, а иногда это просто мощный пласт толщиной в несколько десятков метров и две-три сотни метров в поперечнике. На поверхности они бывают выражены в виде холмов - бугров пучения - или совсем не выражены, если залегают на большой глубине.
К числу любопытных и требующих особого изучения мерзлотных или криогенных явлений относятся «наледи» - ледяные поля на поверхности грунта или речного льда. Они образуются потому, что грунтовые или речные воды прорываются через замерзший уже слой грунта, изливаются, замерзают. Такое повторяется в одном и том же месте несколько раз.
Вода в наледях замерзает неравномерно, образуются замкнутые объемы, которые потом, промерзая, вспучивают поверхностные слои льда, образуются так называемые «наледные бугры». Нередко этот процесс заканчивается довольно неожиданно накапливающиеся в замкнутом объеме напряжения ликвидируются не при медленном изгибе поверхностных слоев льда, а мгновенным взрывом. Раздается выстрел, подобный пушечному, большие куски льда разлетаются далеко в стороны, из кратера фонтаном бьет вода.
Немало хлопот доставили в свое время наледные бугры строителям Транссибирской железной дороги. Теперь разработано много мер по борьбе с наледями, но все же нельзя сказать, что вопрос решен кардинально. Нередко сам человек своими необдуманными действиями вызывает образование наледей. Прокладывая дороги или трубопроводы, ведя строительство, каких-то крупных сооружений, строители снимают поверхностный слой грунта, нарушают сложившийся режим грунтовых вод. В результате подземные воды прорываются на поверхность и образуют наледи.
Все это говорит о том, что сложившиеся природные условия в любом районе, а в области вечной мерзлоты в особенности, требуют к себе бережного отношения. Если возникает необходимость вмешаться и нарушить природный режим, необходимо предусмотреть возможные последствия и своевременно принять меры по предотвращению нежелательных явлений.
Мерзлотоведение достигло больших успехов в решении, как теоретических* так и прикладных проблем. Это показала международная конференция по мерзлотоведению, которая проходила в прошлом году в Якутске. Но многие вопросы еще ждут своего решения. А если учесть перспективы предстоящего мощного экономического развития Сибири и Дальнего Востока, то станет ясно, что количество и сложность таких вопросов еще более возрастают. Будут строиться большие города, новые железные дороги, гидростанции, металлургические комплексы, шахты и рудники, и все это в сложных условиях вечной мерзлоты.
