Мерзлотные формы рельефа

Мерзлотные (криогенные) формы рельефа развиты в областях распространения вечной мерзлоты, но встречаются и в областях сезонного промерзания грунтов. Образование и развитие мерзлотных форм рельефа обусловлено криогенными процессами, связанными с промерзанием и протаиванием горных пород, содержащих различные типы воды, а также с зимним охлаждением верхних горизонтов мерзлых пород. К криогенным процессам относятся: 1) пучение и наледеобразование; 2) криогенное выветривание, морозная сортировка, криогенный крип, солифлюкция и др.; 3) морозобойное растрескивание; 4) термокарст. В формировании большинства криогенных форм рельефа участвует не один из перечисленных процессов, а их совокупность. Криогенные процессы взаимодействуют с другими экзогенными процессами — эрозией, абразией, делювиальным смывом — и придают им особую специфику.

Интенсивность и характер проявления криогенных процессов зависят от зональных (климатических) и региональных факторов, к числу которых относятся геологическое строение и соотношение денудационных и аккумулятивных процессов. Согласно А. И. Попову последний фактор является определяющим в криогенном морфогенезе. Он выделяет области преобладающей денудации, куда относятся преимущественно горные районы, области относительной стабилизации (без заметного сноса и накопления осадков), приуроченные к равнинам, плато и плоскогорьям, и области преобладающей аккумуляции — это поймы и дельты рек, пониженные заболоченные равнины, низменные морские побережья.

Каждой из выделенных областей присущ один или группа ведущих рельефообразующих криогенных процессов, наиболее ярко выражающихся в рельефе. В областях преобладающей денудации преимущественное развитие получают криогенное выветривание и криогенные склоновые процессы; в областях относительной стабилизации — криогенное выветривание, морозобойное растрескивание, термокарст; в областях преобладающей аккумуляции — пучение и морозобойное растрескивание. На характер криоморфогенеза влияют также состав подстилающих пород, степень их промерзания и льдистости, климатические условия данной территории и т. д.

На плоских участках вершинной поверхности гор, а также на междуречьях плато и плоскогорий, сложенных скальными породами, в результате главным образом криогенного выветривания образуются плащеобразные скопления глыбового и щебнистого материала, получившие название каменных россыпей или каменных морей (курумы, см. рис. 13.14). Различие петрографического состава пород, подвергающихся криогенному выветриванию, проявляется в рельефе в виде останцов выветривания — столбообразных скал неправильной формы, сложенных наиболее устойчивыми породами (якут. — кигилляхи'). Наиболее широкое развитие кигилляхи получают при морозном выветривании гранитов (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Гранитные останцы криогенного выветривания — кигилляхи (о. Четырехстолбовый в архипелаге Северная Земля.

Фото А. С. Савичева) На горизонтальных и субгоризонтальных поверхностях областей относительной стабилизации, сложенных смесью грубообломочного материала и мелкозема, в результате морозной сортировки образуется так называемый структурный микрорельеф, представленный разнообразными формами: каменными многоугольниками, сетями, кольцами (рис. 17.2). Главными факторами развития этих форм являются: заложение морозобойных трещин при промерзании и резком охлаждении верхней части деятельного слоя; вымораживание к поверхности крупного обломочного материала; вспучивание мелкоземистого грунта при осеннем промерзании; морозная сортировка материала на поверхности с образованием каменных обрамлений и мелкозема в центре каждой ячейки в результате сползания обломков в сторону пониженных трещинных зон. Размеры ячеек изменяются от 10 см до 2—3 м в поперечнике. Каждая ячейка достаточно четко отделена от соседней не только в плане, но и в разрезе в виде клиньев или карманов крупнообломочного материала. Наиболее совершенна сортировка в приповерхностной части разреза, с глубиной сортировка уменьшается и у основания деятельного слоя совсем исчезает (рис. 17.3).

На выровненных участках, сложенных однородными относительно малольдистыми породами, основным рельефообразующим криогенным процессом является морозобойное растрескивание, сопровождающееся формированием в трещинных зонах грунтовых жил (в результате заполнения трещин мелкоземом) и полигонально-блочного рельефа на поверхности. Размеры блоков могут быть различными — от первых десятков метров до 100 м и более в поперечнике (рис. 17.4, А, приложение 22). На блоках широко развиты формы микрорельефа — пятнамедальоны. Динамические процессы, ведущие к образованию пятенмедальонов, сходны с процессами, в результате которых образуются каменные кольца и многоугольники, и связаны с миграцией разжиженной однородной грунтовой массы к фронту промерзания. Пятнам-медальонам обычно присуща округлая, овальная, иногда полигональная форма диаметром до нескольких десятков сантиметров. Поверхность пятен может быть плоской, слегка выпуклой или вогнутой, лишенной растительного покрова (рис. 17.4, Б).

На склонах гор, сложенных скальными породами, в гольцовой зоне широко развиты нагорные террасы (см. рис. 16.1), а также курумы, из структурного микрорельефа — каменные полосы (рис. 17.5). Курумы и каменные полосы распространены и на склонах эрозионных форм в пределах плато и плоскогорий, сложенных твердыми породами. Там, где склоны сложены рыхлыми отложениями, развиты солифлюкционные формы рельефа. Под действием солифлюкции пятна-медальоны приобретают вытянутую вниз по склону форму, трансформируясь в полосную солифлюкцию (см. рис. 13.8, 13.9).

У южной границы вечной мерзлоты, в условиях резко континентального климата и глубокого сезонного промерзания и протаивания грунтов (Забайкалье, юг Восточной Сибири), полигонально-блочный рельеф приобретает особую специфику. Вследствие просадки грунта по трещинам (особенно на участках их пересечений) под влиянием инфильтрации атмосферных осадков и частичного смыва грунта в трещины блоки приобретают пологовыпуклую или куполообразную форму. Так возникает бугристо-западинный рельеф (рис. 17.6).

Рис. 17.2. Структурные грунты:

А — каменные сети (Заилийский Алатау. Фото А. П. Горбунова); Б — каменные кольца (о. Шпицберген. Фото А. Яна); В — каменные многоугольники.

Рис. 17.3. Схема миграции воды и сортировка обломочного материала в рыхлой толще (по А. К. Орвику).

Рис. 17.4. А. Полигонально-блочный рельеф (аэрофото). Б. Пятнамедальоны на поверхности блоков (Таймыр. Фото А. И. Попова) В областях относительной стабилизации, сложенных рыхлыми сильнольдистыми сингенетически мерзлыми толщами с мощными полигонально-жильными льдами, широко развиты термокарстовые процессы, которые приводят к образованию разнообразных форм: от мелких термокарстовых западин до обширных термокарстовых озер и глубоких, разнообразных по площади котловин-аласов. Размеры аласов колеблются от нескольких десятков метров до нескольких километров в поперечнике, глубина их достигает 30 м (см. рис. 17.8, Б, приложение 22). Особенно широко термокарстовые котловины развиты на древних аллювиальных равнинах центральной и северной Якутии, где формируются специфичные озерно-термокарстовые ландшафты. На склонах речных долин и аласов развиты термоэрозионные рытвины и овраги, солифлюкция.

Рис. 17.5. Каменные полосы на пологом склоне (Тува. Фото Ю. В. Мудрова).

В областях преобладающей аккумуляции — поймах и дельтах рек, приморских низменностях {лайдах), низменных заболоченных равнинах, мелких озерах и днищах аласов — в ходе сингенетического (т.е. одновременного) с осадконакоплением промерзания происходит развитие своеобразных мерзлотных образований. Это главным образом ледяные полигональные жилы, связанные с морозобойным растрескиванием, растущие вверх вместе с накоплением осадков. Рост ледяных клиньев приводит к выжиманию грунта в стороны и вверх по контакту с ледяными клиньями (рис. 17.7). В результате образуются валиковые полигоны. Высота валиков несколько десятков сантиметров (редко более 0,5 м), ширина 1—3 м, ширина канавок между валиками смежных полигонов 1—2 м, средний поперечник полигонов 15—25 м, реже больше.

Рис. 17.6. Бугристо-западинный рельеф (Приморская низменность).

Рис. 17.7. Сингенетическая ледяная жила. На фото хорошо видна деформация слоев осадков на контакте с ледяной жилой (фото Т. П. Кузнецовой).

Рис. 17.8. А. Полигонально-валиковый рельеф. б. Полигональноваликовый рельеф на пойме северной реки — тетрагональные грунты (фото Б. А. Тихомирова). В. Полигонально-валиковый рельеф и булгуннях на пойме р. Яны (аэрофото) На рыхлых грунтах пойм, речных и морских террас наблюдаются и более крупные формы рельефа подобного типа, так называемые тетрагональные грунты (рис. 17.8). Валообразные гребни у них высотой до 2 м, а в поперечнике ровных площадок — 100—200 м. А. И. Попов наблюдал на Западно-Сибирской равнине и в Болыиеземельской тундре блоки, размеры которых достигали 300, 500 и даже 1000 м в поперечнике. Это уже формы не микро-, а мезорельефа.

В областях преобладающей аккумуляции часто встречаются многолетние бугры пучения — гидролакколиты (в Якутии их называют булгунняхами, в Канаде — пинго). Образование их связано с внедрением («инъекцией») подземных вод между многолетнемерзлой толщей и промерзшей частью сезонно-талого слоя. Высота гидролакколитов колеблется от 10 до 30 м, реже больше, диаметр — от нескольких десятков до сотен метров. На поверхности бугров пучения часто наблюдаются динамические трещины, а иногда термокарстовые воронки и кратерообразные термокарстовые озера (рис. 17.9, приложение 23). Многолетние бугры пучения, возникшие на месте торфяных болот, называют торфяными буграми. Размеры их невелики: высота 2—4 м, иногда до 8 м, диаметр основания от 5 до 30 м (рис. 17.10). Бугры пучения могут быть и сезонными: они появляются зимой и разрушаются летом. Размеры таких бугров небольшие: высота 30—40 см, поперечник 2—3 м. Следует отметить, что все формы пучения, независимо от их размеров, создают наибольшие трудности при строительстве в областях распространения вечномерзлых грунтов.

Рис. 17.9. Бугор инъекционного пучения (пинго). Северная Канада (фото А. Уошберна).

В областях распространения вечной мерзлоты часто встречаются наледи, связанные с замерзанием выходящих на поверхность грунтовых вод или с постепенным промерзанием реки и сужением в связи с этим живого сечения русла. В результате создается значительный напор, и вода, не умещаясь в суженном русле, находит ослабленные участки.

Рис. 17.10. А. Растущие торфяные бугры пучения. Б. Лиственница, разорванная снизу в результате формирования бугра пучения (фото А. П. Тыртикова) в речном льде, прорывает его, выливается на поверхность и замерзает. Образуется речная наледь. Особенно крупные наледи образуются в долинах горных рек, питающихся мощными подземными источниками. Площадь таких наледей может достигать десятков квадратных километров, а мощность — нескольких метров. Гигантские наледи, развитые в горных долинах Якутии, называют тарынами. Геоморфологическое значение наледей в том, что они способствуют развитию фуркации русла и образованию резких расширений долин. Подобные расширенные участки поймы называются наледными полянами. Они отчетливо выделяются на местности по отсутствию в их пределах древесной растительности. В ряде случаев наледи служат своеобразными плотинами, за которыми образуются озера. Спуск таких озер приводит к паводкам и интенсивным эрозионным процессам.

Специфичные формы рельефа образуются при деградации вечной мерзлоты. Прежде всего это разнообразные термокарстовые формы, о которых речь шла выше. В ряде случаев термокарст развивается и под влиянием хозяйственной деятельности человека: после рубки леса, под пашней, при рытье котлованов и канав, на участках лесных пожаров. Подобно формам пучения, термокарстовые явления создают немалые трудности при хозяйственном освоении территорий с вечномерзлыми грунтами.

С оттаиванием вечной мерзлоты связаны термоабразионные и термоэрозионные процессы. Термоабразией называется термическое воздействие морского волнения на берега, сложенные вечномерзлыми грунтами. Под влиянием волнения у линии берега вырабатывается ниша вытаивания. По мере углубления ниши нависающий над ней карниз обрушивается, формируется термоабразионный клиф. Термическая абразия всегда сопровождается солифлюкционными процессами (приложение 27). Термоэрозионные формы — разнообразные эрозионные формы рельефа, обязанные своим происхождением не только механическому и химическому, но и термическому воздействию поверхностных водных потоков на дно и берега, сложенные мерзлыми грунтами. В условиях вечной мерзлоты такие эрозионные формы, как рытвины и овраги, растут очень быстро. Эрозионные формы часто закладываются вдоль термокарстовых понижений или по трещинам полигональных грунтов. В последнем случае образуются специфичные формы рельефа — байджарахи — останцы мерзлого грунта, слагавшего ядро (блок) мерзлотного полигона. Высота байджарахов от одного до нескольких метров, диаметр основания до нескольких десятков метров (рис. 17.12).

Своеобразны и реки областей с вечномерзлыми грунтами. Летом они многоводны, поэтому обладают большой живой силой, интенсивно расширяют свои долины. Этому способствует и термическое воздействие воды на мерзлые грунты, слагающие берега. Быстрое расширение долин приводит к тому, что поймы рек перестают заливаться даже в высокие половодья и превращаются в невысокие надпойменные террасы.

На участках широтного течения рек четко выражена асимметрия склонов долин, обусловленная экспозицией: склоновые процессы на склонах северной и южной экспозиции происходят с разной интенсивностью.

Таким образом, области распространения вечной мерзлоты отличаются своеобразием и большим разнообразием форм микрои мезорельефа, пространственное соотношение которых представлено на идеализированной схеме (рис. 17.13).

Рис. 17.11. А. Причудливые остаточные формы разрушающихся байджарахов (р. Яна. Фото А. И. Попова). Б. Разрушающийся сезонный бугор-гидролакколит. Видно ледяное ядро (инъекционный лед). Пойма р. Ныды (фото С. Колесникова).

Рис. 17.12. Формы микрои мезорельефа, связанные с мерзлотой в четвертичных отложениях (по С. Г. Бочу):

а — нагорные террасы; б — курум; в — каменная река; г — каменные гирлянды;

д — солифлюкционные (натечные террасы); е — солифлюкционный вал (вал пучения); ж — скольжение камня по переувлажненному грунту; з — каменные полосы; и — ячеистые формы структурных грунтов; к — крупнобугристый рельеф; л —• трещинные морозные полигоны (ледяные клинья); м — мелкобугристый рельеф; н — полигональные грунты Криогенные процессы и связанные с ними формы рельефа были широко развиты в перигляциальных областях в эпохи оледенений. Реликты этих форм наблюдаются в пределах современного умеренного пояса: они находят отражение в субстрате: в виде псевдоморфоз по ледяным клиньям, криотурбаций (от лат. turbatio — беспорядок) — нарушений в залегании горизонтов почвы и грунта, под влиянием мерзлотных процессов, имеющих вид завихрений, изгибов, колец, микроскладок и др. (рис. 17.13), и микрорельефе, который, в свою очередь, позволяет легко «читать» рисунок сетей древних полигонов на аэрофотоснимках (рис. 17.14). Реликтовый полигональный рельеф контролирует заложение эрозионных форм низких порядков (потяжин, рытвин, промоин), влияет на плановую конфигурацию малых водосборов, отражается на характере современного почвенно-растительного покрова.

В заключение характеристики рельефа, свойственного областям распространения «вечной» мерзлоты, следует отметить удивительную геометрическую правильность многих форм мерзлотного рельефа, не наблюдаемую среди форм рельефа, сформированных другими экзогенными процессами (см. рис. 17.2, 17.4, 17.8, приложение 22).

Рис. 17.13. А. Активный ледяной клин; 5. Псевдоморфоза по ледяному клину; В. Криотурбации в рыхлых грунтах (по Р. Дж. Райсу).

Рис. 17.14. Отражение в современном рельефе и почвенно-растительном покрове реликтового полигонального рельефа:

а — на поверхности первой надпойменной террасы р. Протвы; б — на междуречье (аэрофото, северо-восток Калужской области).