З цієї статті ви дізнаєтеся про особливості вічномерзлих ґрунтів, які поширені в зонах вічної мерзлоти. В геології вічна мерзлота — це земля, в тому числі, кам’яна (криотическая) грунт, актуальна при температурі замерзання води 0 °C або нижче протягом двох або більше років. Велика частина вічної мерзлоти розташована у високих широтах (всередині і навколо арктичних і антарктичних регіонів), але, наприклад, в Альпах зустрічається і більш високо.
Ґрунтовий лід присутня не завжди, як це може бути у випадку непористої корінної породи, але він часто зустрічається в кількостях, що перевищують потенційний гідравлічне насичення ґрунтового матеріалу. Вічна мерзлота становить 0,022% від загального обсягу води на Землі і існує в 24% відкритих земель Північного півкулі. Це також відбувається під водою на континентальних шельфах континентів, оточуючих Північний Льодовитий океан. На думку однієї групи вчених, глобального підвищення температури на 1,5 °C (2,7 °F) вище нинішніх рівнів буде достатньо, щоб почати відтавання вічної мерзлоти в Сибіру.
Вивчення
На відміну від відносної нестачі звітів про мерзлих грунтах у Північній Америці до Другої світової війни, російською мовою була доступна література з інженерних аспектів вічної мерзлоти. Починаючи з 1942 р., Симон Вільям Мюллер заглибився у відповідну літературу, належала Бібліотеці Конгресу та Бібліотеці Геологічної служби США, щоб надати уряду керівництво по інженерних робіт та технічний звіт про вічній мерзлоті до 1943 року.
Визначення
Вечномерзлые грунти — це грунти, гірські породи або відкладення, які замерзають більше двох років поспіль. В областях, не покритих льодом, вони існують під шаром грунту, каменю або осаду, який щорічно замерзає і відтає і називається «активним шаром». На практиці це означає, що вічна мерзлота відбувається при середній річній температурі -2 °C (28,4 °F) або нижче. Товщина активного шару змінюється в залежності від сезону, але становить від 0,3 до 4 метрів (дрібна уздовж арктичного узбережжя; глибоко в південній Сибіру і на Цинхай-Тибетському плато).
Географія
Що можна сказати про поширення вічномерзлих ґрунтів? Ступінь вічної мерзлоти варіюється в залежності від клімату: сьогодні в Північній півкулі 24% вільної від льоду площі суші що еквівалентно 19 мільйонам квадратних кілометрів — більш або менш схильні до впливу вічної мерзлоти.
У цій області трохи більше половини вкрите безперервної вічною мерзлотою, близько 20 відсотків — переривчастою вічною мерзлотою і трохи менше 30 відсотків — спорадичної вічною мерзлотою. Велика частина цієї території знаходиться в Сибіру, на півночі Канади, на Алясці і в Гренландії. Під активним шаром щорічні коливання температури вічної мерзлоти стають менше з глибиною. Найглибша глибина вічної мерзлоти відбувається там, де геотермальне тепло підтримує температуру більше нуля. Вище цієї межі може бути вічна мерзлота, температура якої не змінюється щороку. Це «ізотермічна вічна мерзлота». Райони вічномерзлих ґрунтів слабо придатні для активної життєдіяльності людини.
Клімат
Вічна мерзлота зазвичай утворюється в будь-якому кліматі, де середньорічна температура повітря менше точки замерзання води. Виключення можна знайти в кліматі вологої зими, наприклад, в Північній Скандинавії і північно-східної частини Росії на захід від Уралу, де сніг виступає в якості ізолюючого покриття. Льодовикові ділянки можуть бути винятками. Оскільки всі льодовики нагріваються біля основи геотермальним теплом, помірні льодовики, які знаходяться поблизу точки плавлення під тиском, можуть мати рідку воду на кордоні з землею. Тому вони вільні від вічної мерзлоти. «Копалини» холодні аномалії в геотермальному градієнті в районах, де під час плейстоцену розвивалася глибока вічна мерзлота, зберігаються до кількох сотень метрів. Це видно з вимірювань температури в свердловинах в Північній Америці і Європі.
Температура під землею
Як правило, температура під землею змінюється від сезону до сезону менше, ніж температура повітря. При цьому середньорічні температури мають тенденцію до збільшення з глибиною в результаті геотермального градієнта земної кори. Таким чином, якщо середньорічна температура повітря лише трохи нижче 0 °C (32 °F), вічна мерзлота буде формуватися тільки в місцях, які захищені — зазвичай з північної сторони — створюючи переривчасту вічну мерзлоту. Зазвичай вічна мерзлота буде залишатися переривчастою в кліматі, де середньорічна температура поверхні ґрунту складає від -5 до 0 °C (від 23 до 32 °F). На ділянках з вологою зимою, згаданих вище, не може бути навіть переривчастою вічної мерзлоти до -2 °C (28 °F).
Види вічної мерзлоти
Вічна мерзлота часто далі ділиться на велику переривчасту вічну мерзлоту, де вічна мерзлота охоплює від 50 до 90 відсотків ландшафту і зазвичай зустрічається в областях із середньорічною температурою від -2 до -4 °C (28-25 °F), а також спорадичну вічну мерзлоту, де покрив вічної мерзлоти становить менше 50 відсотків ландшафту і зазвичай відбувається при середньорічній температурі від 0 до -2 °C (32 і 28 °F). У ґрунтознавстві спорадична зона вічної мерзлоти — це СЗЗ, а велика зона переривчастою мерзлоти — ДЗЗ. Винятки трапляються в неглазурованою Сибіру і на Алясці, де нинішня глибина вічної мерзлоти є пережитком кліматичних умов під час льодовикового періоду, де зими були на 11 °C (20 °F) холодніше, ніж сьогодні.
Температура вічній грунтів
При середньорічних температурах поверхні грунту нижче -5 °C (23 °F) вплив аспекти ніколи не може бути достатнім для танення вічної мерзлоти і формування зони безперервної вічної мерзлоти (скорочено — CPZ). Лінія суцільний вічної мерзлоти в Північній півкулі являє собою саму південну кордон, де земля покрита суцільною вічною мерзлотою або льодовиковим льодом.
З цілком очевидних причин проектування на вічномерзлих ґрунтах є вкрай складним завданням. Лінія суцільний вічної мерзлоти змінюється по всьому світу на північ або південь через регіональних кліматичних змін. У південній півкулі більша частина еквівалентній лінії була б в Південному океані, якби там була земля. Велика частина антарктичного континенту перекрита льодовиками, під якими більша частина місцевості схильна танення в грунті. Оголена земля Антарктиди в значній мірі залягає в умовах вічної мерзлоти.
Альпи
Оцінки загальної площі зони вічномерзлих ґрунтів в Альпах сильно варіюються. Бокхайм і Манро об’єднали три джерела і зробили табличні оцінки по регіонах (в загальній складності 3 560 000 км2).
Альпійської вічної мерзлоти в Андах не було на карті. Протяжність в даному випадку змодельована для оцінки кількості води в цих областях. У 2009 році дослідник з Аляски виявив вічну мерзлоту на рівні 4700 м (15 400 футів) на найвищій вершині Африки, горі Кіліманджаро, приблизно в 3° на північ від екватора. Фундаменти на вічномерзлих ґрунтах в цих широтах — не рідкість.
Замерзлі моря і мерзле дно
Морська вічна мерзлота зустрічається під морським дном і існує на континентальних шельфах полярних регіонів. Ці області утворилися протягом останнього льодовикового періоду, коли велика частина води Землі була пов’язана в льодових щитах на суші і рівень моря був низьким. Коли крижані щити розтанули і знову стали морською водою, вічна мерзлота перетворилася в затоплені полиці при відносно теплих і солоних граничних умовах порівняно з вічною мерзлотою на поверхні. Тому підводний вічна мерзлота існує в умовах, які призводять до її зменшення. За словами Остеркампа, підводний вічна мерзлота є фактором «проектування, будівництва та експлуатації прибережних об’єктів, споруд, заснованих на морському дні, штучних островів, підводних трубопроводів і свердловин, пробурених для розвідки і видобутку.
Вічна мерзлота простягається до глибини підстави, де геотермальне тепло від Землі і середньорічна температура на поверхні досягають рівноважної температури 0 °C. Глибина підстави вічної мерзлоти досягає 1493 метрів (4898 футів) у північних басейнах річок Олена і Яна в Сибіру. Геотермальний градієнт — це швидкість збільшення температури по відношенню до збільшення глибини в надрах Землі. Далеко від кордонів тектонічної плити вона становить близько 25-30 °C/км поблизу поверхні в більшості країн світу. Він змінюється в залежності від теплопровідності геологічного матеріалу і менше для вічної мерзлоти в грунті, ніж у корінній породі.
Лід у ґрунті
Коли вміст льоду у вічній мерзлоті перевищує 250 відсотків (від маси льоду до сухого ґрунту), вона класифікується як масивний лід. Масивні крижані тіла можуть відрізнятися за складом від крижаної бруду до чистого льоду. Масивні крижані пласти мають мінімальну товщину не менше 2 метрів, короткий діаметр — не менше 10 метрів. Вперше зареєстровані в Північній Америці спостереження були зроблені європейськими вченими на річці Каннінг на Алясці в 1919 році. Російська література наводить більш ранню дату 1735 і 1739 років під час Великої Північної експедиції П. Лассиния і Х. П. Лаптєва відповідно. Дві категорії масивного ґрунтового льоду — це похований поверхневий лід і так званий “внутриседный лід”. Створення будь-яких підстав на вічномерзлих ґрунтах вимагає, щоб ніяких великих льодовиків поблизу не було.
Похований поверхневий лід може відбуватися снігу замерзлого озера або морського льоду, aufeis (скручений річковий лід) і, ймовірно, найбільш поширений варіант — похований льодовиковий лід.
Замерзання підземних вод
Интрадиестимальный лід утворюється в результаті замерзання підземних вод. Тут переважає сегрегаційний лід, який виникає в результаті кристалізаційної диференціації, яка відбувається під час замерзання вологих опадів. Процес супроводжується міграцією води на фронт замерзання.
Интрадиестимальный (конституційний) лід широко спостерігався і вивчався по всій Канаді, а також включає інтрузивний та ін’єкційний лід. Крім того, крижані клини, окремий тип ґрунтового льоду, виробляють впізнавані візерункові полігони або тундрові полігони. Крижані клини утворюються в раніше існуючій геологічному субстраті. Вони були вперше описані в 1919 році.
Вуглецевий цикл
Вуглецевий цикл вічної мерзлоти пов’язаний з перенесенням вуглецю з ґрунтів вічної мерзлоти в наземну рослинність і мікроби, в атмосферу, назад в рослинність і, нарешті, знову в грунт вічної мерзлоти шляхом поховання та осадження у результаті кріогенних процесів. Частина цього вуглецю переноситься в океан і інші частини земної кулі через глобальний вуглецевий цикл. Цикл включає обмін вуглекислого газу і метану між земними компонентами і атмосферою, а також перенесення вуглецю між суходолом і водою у вигляді метану, розчиненого органічного вуглецю, розчиненого неорганічного вуглецю, часток неорганічного вуглецю і частинок органічного вуглецю.
Історія
Вічна мерзлота Арктики зменшується протягом багатьох століть. Наслідком цього є відтавання грунту, яке може бути слабшим, і викид метану, що сприяє збільшенню швидкості глобального потепління в рамках циклу зворотного зв’язку. Райони поширення вічномерзлих ґрунтів в історії постійно змінювалися.
На останньому льодовиковому максимумі суцільна вічна мерзлота охоплювали набагато більшу територію, ніж сьогодні. У Північній Америці на південь від крижаного покриву на широті Нью-Джерсі на півдні штату Айова і в північній частині штату Міссурі існував лише дуже вузький пояс вічної мерзлоти. Вона була великою у більш сухих західних регіонах, де вона поширювалася до південної межі Айдахо і Орегон. У південній півкулі є деякі свідчення колишньої вічної мерзлоти цього періоду в центральному Отаго і в аргентинській Патагонії, але, ймовірно, вона була переривчастою і пов’язаної з тундрою. Альпійська вічна мерзлота також сталася в Дракенсберге в часи існування льодовиків вище 3000 метрів (9 840 футів). Тим не менш підстави і фундаменти на вічномерзлих ґрунтах встановлюються навіть там.
Будова ґрунту
Грунт може складатися з багатьох матеріалів субстрату, включаючи корінні породи, відкладення, органічні речовини, воду або лід. Замерзла земля — це те, що нижче точки замерзання води, незалежно від того, чи є вода в субстраті. Мелений лід присутня не завжди, як це може бути у випадку непористої корінної породи, але він часто зустрічається і може бути в кількостях, що перевищують потенційний гідравлічне насичення відталого субстрату.
Як наслідок, кількість опадів збільшується, що, в свою чергу, призводить до ослаблення і можливого обвалення будівель в таких областях, як Норильськ на півночі Росії, який лежить у зоні вічної мерзлоти.
Руйнування схилів
За минуле століття було зареєстровано багато випадків руйнування альпійських схилів гірських хребтах по всьому світу. Очікується, що велика кількість структурних руйнувань пов’язано з таненням вічної мерзлоти, яке, як вважається, виникає через зміни клімату. Вважається, що танення вічної мерзлоти сприяло зсув Валь Підлоги в 1987 році, в результаті якого загинули 22 людини в італійських Альпах. У гірських хребтах велика частина структурної стійкості може бути пов’язана з льодовиками і вічною мерзлотою. По мірі того, як клімат прогрівається, відтає вічна мерзлота, що призводить до менш стійкою структурою гір і, в кінцевому підсумку, до більшої кількості руйнувань схилів. Підвищення температури дозволяє більш глибокі глибини активного шару, що тягне за собою ще більше проникнення води. Лід в ґрунті тане, викликаючи втрату міцності ґрунту, прискорений рух і потенційні потоки сміття. Тому будівництво на вічномерзлих ґрунтах вкрай небажано.
Також відома інформація про масивних падіння каміння і льоду (до 11,8 млн. м3), землетруси (до 3,9 млн. миль), повенях (до 7,8 млн. м3 води) і швидкому плині скельного льоду. Це викликано «нестійкістю схилів» в умовах вічної мерзлоти у високогір’ях. Нестабільність схилів у вічній мерзлоті при підвищених температурах поблизу точки замерзання в потеплінні вічної мерзлоти пов’язана з ефективним напругою і підвищенням тиску порової води в цих ґрунтах.
Розробка вічній грунтів
Джейсон Кіа та його співавтори винайшли новий безфильтровый жорсткий пьезометр (FRP) для вимірювання тиску порової води в частково мерзлих грунтах, таких як потепління вічної мерзлоти. Вони розширили використання концепції ефективного напруги для частково мерзлих грунтів для використання в аналізі стійкості укосів прогревающихся схилів вічної мерзлоти. Застосування концепції ефективного напруги має багато переваг, наприклад, здатність будувати підстави і фундаменти на вічномерзлих ґрунтах.
Органічний матеріал
У північному циркумполярном регіоні вічна мерзлота містить 1700 мільярдів тонн органічного матеріалу, що становить майже половину всього органічного. Цей басейн створювався протягом тисячоліть повільно руйнується в холодних умовах Арктики. Кількість вуглецю, секвестрированного у вічній мерзлоті, в чотири рази перевищує кількість вуглецю, викинутого в атмосферу в результаті діяльності людини в сучасний час.
Наслідки
Освіта вічної мерзлоти має значні наслідки для екологічних систем, в першу чергу з-за обмежень, що накладаються на кореневі зони, а також із-за обмежень на геометрію лігва й нори для фауни, що вимагає підземних будинків. Вторинні впливу впливають на види, залежать від рослин і тварин, середовище перебування яких обмежена вічною мерзлотою. Одним з найбільш поширених прикладів є переважання чорної їли в обширних районах вічної мерзлоти, так як цей вид може переносити укорінення, обмежене поблизу поверхні.
Розрахунки вічномерзлих ґрунтів виробляються часом і для аналізу органічного матеріалу. Один грам грунту з активного шару може містити більше одного мільярда клітин бактерій. При розміщенні вздовж один одного бактерії з одного кілограма грунту активного шару утворюють ланцюг довжиною 1000 км. Кількість бактерій у грунті вічної мерзлоти варіюється в широких межах, зазвичай від 1 до 1000 мільйонів на грам грунту. Більшість з цих бактерій і грибів у ґрунті вічної мерзлоти не можуть бути культивированы в лабораторії, але ідентичність мікроорганізмів може бути виявлена за допомогою методів на основі ДНК.
Арктичний регіон і глобальне потепління
Арктичний регіон є одним з природних джерел метану парникових газів. Глобальне потепління прискорює його викид. Велика кількість метану зберігається в Арктиці в родовищах природного газу, вічній мерзлоті і у вигляді підводних клатратов. Інші джерела метану включають підводні талики, річковий транспорт, відступ крижаного комплексу, вічну мерзлоту підводних човнів і розкладаються газогидратные відкладення. Попередній комп’ютерний аналіз показує, що вічна мерзлота може виробляти вуглець, рівний приблизно 15 відсотків сьогоднішніх викидів від людської діяльності. Потепління і відтавання грунтових масивів робить будівництво на вічномерзлих ґрунтах ще більш небезпечним заходом.
