Морозное пучение дисперсных пород в открытых и закрытых системах промерзания. Сезонные и многолетние бугры пучения.

Морозное пучение дисперсных порол обусловлено увеличени­ем объема замерзающей влаги и льдонакоплением (вследствие миграции воды) при промерзании. Этот процесс широко распро­странен как в криолитозоне, так и на территории с глубоким сезонным промерзанием пород. Наибольшие деформации пуче­ния наблюдаются при промерзании в открытой системе хорошо влагопроводных,чаще всего пылеватых и водонасыщенных супесчаных и суглинистых пород при малых скоростях промерзания и близком расположении водоносною горизонта (миграционный механизм пучения). Нередко также пучение бывает связано с про­мерзанием грубодисперсных пород в условиях закрытой системы, когда возникают напорные горизонты грунтовых вод (инъекци­онный механизм пучения).

Обычно различают площадное и ло­кальное пучение. Первое чаще всего характеризуется большой пространственной неоднородностью, при которой величина пу­чения в пределах одного ландшафтного типа может более чем в два раза превышать средние значения деформации пучения За­метнее всего в рельефе проявляется локальное пучение (бугры, полосы пучения и др.), которое может возникать вследствие нео­днородности условий промерзания, обводненности, состава по­род и других факторов геолого-географической среды. В целом в природных условиях пучение пород может быть связано с сезон­ным промерзанием пород сезонноталого или сезонномерзлого слоя (сезонное пучение) и с многолетним промерзанием пород (мно­голетнее пучение).

Многолетнее пучение. Пучение грунтов является наиболее рас­пространенным криогенным процессом, благодаря которому на участках развития тонкодисперсных пород и торфяников форми­руются различные по форме и размерам бугры пучения. В резуль­тате промерзания торфяников, например в заболоченных низи­нах и аласах, нередко формируется так называемый «обращенный» рельеф, обычно возвышающийся над окружающей поверхностью на несколько метров. Локальное многолетнее пучение всегда со­провождается образованием бугров, высота которых может дости­гать десятков метров, а диаметр — сотен метров. По типу форми­рования локальные бугры пучения подразделяются на миграционные (сегрегационные) и инъекционные, но возможно их смешанное инъекционно-миграционное образование.

Миграционные бугры пучения (называемые в зарубежной ли­тературе пальсами) образуются в результате миграции внутригрунтовой влаги к фронту промерзания под влиянием градиентов тем­пературы и влажности. Отнесение их к локальным свидетельствует о том, что они образуются в отдельных местах, там, где в резуль­тате сочетания природных факторов создаются условия более бы­строго и глубокого промерзания пород и где начинает образовы­ваться линза многолетней мерзлоты. Из окружающих талых пород сюда в первую очередь начинает поступать мигрирующая влага, что и приводит к пучению грунта и поднятию поверхности на этом участке. Зимой с приподнятой поверхности снег сдувается, температура пород понижается, а мощность линзы многолетне­мерзлых пород еще более возрастает по сравнению с окружающими участками, обусловливая увеличение бугра.

Многолетние миграционные бугры пучения, как пра­вило, сопровождают новообразование многолетнемерзлых пород на талых участках пойм и озерных котловин, нередко образуя це­почки бугров поберегам озер, на мелководьях рек, по краям за­болоченных пространств.

Бугры пучения часто приурочены к участкам торфяных от­ложении Это связано с тем, что торф содержит большое коли­чество воды, в связи с чем теплопроводность мерзлою торфа выше талою и выпуклые участки с торфами сильнее охлаждаются зи­мой, чем нагреваются летом. Поэтому промерзание в торфах идет интенсивнee, чем в минеральных грунтах, что и обеспечивает развитие локального пучения и образование торфяных бугров пу­чения.

Многолетние инъекционные бугры пучения возника­ют обычно за счет инъекции воды (или разжиженного грунта) под действием гидростатического давления, развивающеюся в за­крытых системах при их промерзании. Они связаны преиму­щественно с промерзанием подозерных (обводненных) несквозных таликов, окруженных со всех сторон многолетнемерзлыми породами. На Севере и в Центральной Якутии их называют булгунняхами, за рубежом — пинго. Причиной промерзания подозерных таликов обычно является обмеление или осушение озер. В резуль­тате подозерный талик начинает со всех сторон промерзать со­кращаться в размерах Находящаяся там вода начинает испыты­вать гидростатическое давление. Благодаря этому давлению мерзлая кровля в наиболее слабом месте выгибается, образуя бугор пучения с ядром из инъекционного льда или льда с грунтом. По­скольку промерзание водоносного талика — длительный процесс, внедрение воды в растущий булгуннях происходит многократно. Параллельно с этим может происходить и сегрегационное льдовыделение в виде шлиров и прослоев льда, что приводит к слож­ному строению булгунняхов.

Размеры булгунняхов зависят от количества воды в замкнутых галиках и по высоте могут достигать 30—60 м а по основанию — 100—200 м. Нередко встречается и другой тип инъекционных буг­ров пучения — гидролакколиты,которые образуются при инъек­циях воды под влиянием гидродинамического напора надмерзлотных и подмерзлотных вод. Гидролакколиты приурочены к ис­точникам (местам разгрузки) подземных вод или к замкнутым, в том числе пойменным таликам преимущественно в южной зоне распространения многолетнемерзлых пород.

Сезонное пучение грунтов. Такое пучение сопровождает сезонное промерзание талых пород и промерзание сезонноталого слоя. Средняя величина площадного пучения сезонноталого слоя обычно в 1,5—2 раза меньше пучения слоя сезонного промерзания. Это свя­зано с тем, что сезоннопромерзающий слой чаще всего является открытой системой и его промерзание сопровождается активной миграцией влаги. Промерзающий сезонноталый слой приближа­ется к системе закрытого типа, когда миграция влаги из подсти­лающих мерзлых пород не происходит, а возможно только верти­кальное миграционное перераспределение ее внутри слоя и боко­вое — за счет неравномерного промерзания. Годовой цикл наблю­дений за деформацией показывает, что поверхность земли при промерзании в результате пучения пород поднимается относи­тельно неподвижного репера, следуя за увеличением мощности промерзающего слоя и достигая максимальной отметки на мо­мент максимума промерзания. С началом оттаивания грунта по­верхность будет вновь опускаться за счет вытаивания сегрегаци­онных прослоев льда, пока не достигнет нулевой отметки репера. Такое движение земной поверхности называют еще гидротерми­ческим.

Сезонное площадное пучение пород характеризуется большой неравномерностью развития по площади и во времени. Наиболее ярким ее выражением является формирование однолетних (или сезонных) миграционных бугров пучения, которые существуют только в холодный сезон года и исчезают вместе с оттаиванием промерзшего слоя. Ширина этих бугров может достигать первых метров, а превышение над окружающей поверхностью — до 1,5 м Инъекционные сезонные бугры пучения обычно связаны с не­равномерным промерзанием пород сезонноталого слоя, в резуль­тате чего возникает гидростатический напор в движущихся надмерзлотных водах. Наиболее часто такое явление фиксируется у подножий склонов и на промерзающих бечевниках рек и ручьев.

Проявление процесса сезонного пучения наблюдается также в мелкоземе при содержании в нем включений обломков пород бо­лее крупного размера (щебень, галька, глыбы, валуны и др.) Теп­лопроводность каменного материала выше, чем мелкозема, по­этому мелкозем под обломками охлаждается сильнее и к этому фронту промерзания в первую очередь начинает мигрировать вода. Превращаясь в лед, она приподнимает и выталкивает вверх такие обломки пород. При сезонном оттаивании слоя обломки не успе­вают осесть на свое место, так как это пространство уже частично или полностью заполняется водой и мелкоземом, а сам обломок удерживается окружающим его грунтом. В результате многократ­ного повторения этого цикла происходит выпучивание (вымора­живание) каменного материала и идет сортировка (перераспре­деление) обломков внутри сезоннопромерзающего слоя верхняя часть разреза обогащается крупнообломочным материалом, осо­бенно на поверхности земли. При отсутствии мелкозема в разрезе дифференциация облом­ков по крупности происходит при ведущей роли термогенного выпучивания, когда в результате объемнотемпературных дефор­маций более крупные обломки интенсивнее выталкиваются к по­верхности вследствие температурных изменении их объема Так образуются «каменные моря», «каменные россыпи» и др.