Was ist Permafrost? Territoriale Merkmale des Permafrosts. Wie äußert sich Permafrost?

- Diese sind für eine lange Zeit eingefroren, von mehreren bis zu Zehntausenden und Hunderttausenden von Jahren. Permafrost wird manchmal als „unterirdische Vereisung“ bezeichnet. Eis, das Gesteine ​​zementiert, kommt dort in den unterschiedlichsten Formen vor: Linsen, Adern, Flecken, Keile, riesige Schichten, das sogenannte Fossileis. In Russland beträgt die Gesamtfläche gefrorener Gesteine ​​etwa 11 Millionen Quadratmeter. km. Somit ist Permafrost über fast 2/3 des Landes verteilt. Sogar unter Wasser, in Regalen, wurden gefrorene Böden gefunden. Im Allgemeinen entspricht die Permafrostverteilung stark kontinentalen Gebieten mit kalten und schneearmen Wintern. Gleichzeitig ist es allgemein anerkannt, dass das stark kontinentale Klima nur zur Erhaltung des während der quartären Vereisungen gebildeten Permafrosts beiträgt. Die geringere Verbreitung des Permafrosts im westlichen Teil des Landes ist auf das Vorhandensein eines Deckgletschers zurückzuführen, der ein tiefes Einfrieren der Böden verhinderte. In verschiedenen Teilen des Landes variiert die Dicke der Permafrostböden: Sie reicht von mehreren zehn Metern bis zu einem Kilometer. Tiefe Schichten gefrorener Böden sind von jahreszeitlichen Temperaturschwankungen praktisch unberührt. In den Weiten des russischen Nordens und Sibiriens liegt in der Tiefe ein einziger gefrorener Monolith. Allerdings ist der Zustand gefrorener Böden nicht konstant. Derzeit lässt sich argumentieren, dass sich die Kälte allmählich aus den Tiefen des Planeten zurückzieht. Es gibt mehrere Zonen der Permafrostverteilung.

Zone kontinuierlicher Permafrostverteilung

Diese Zone umfasst den nordöstlichen Teil der Westsibirischen Tiefebene, den größten Teil des Nordostens Sibiriens. Unter Permafrostbedingungen bilden sich einzigartige gefrorene oder kryogene (durch Eis erzeugte) Formen von Mikroreliefs. Bei starkem Frost reißt der Boden an der Oberfläche und Wasser dringt in die Frostrisse ein. Durch das Gefrieren weiten sich diese Risse aus und es bilden sich einzigartige Gitterpolygone. Manchmal hebt eine Eislinse, die sich in einer bestimmten Tiefe bildet, den darüber liegenden Boden an, und es entsteht ein anschwellender Hügel, der Hydrolakkolith genannt wird. In Zentraljakutien erreichen ähnliche Hügel eine Höhe von 40 Metern. Wenn der Druck des Eises und des darin enthaltenen Wassers den Boden durchbricht, strömt Wasser an die Oberfläche und bildet Grundwasser. Steingeröll ist an den Hängen des Byrranga-Gebirges häufig. Darüber hinaus beginnen sie unter dem Einfluss des abwechselnden Gefrierens und Auftauens von Gesteinen an den Hängen nach unten zu fließen. Der Prozess des Bodenflusses wird Solifluktion genannt (von den lateinischen Wörtern „Boden“ und „Ausfluss“).
Zone intermittierender Permafrostverteilung.

Südlich der Zone kontinuierlicher Permafrostverteilung befindet sich eine Zone seiner diskontinuierlichen Verteilung. Das heißt, zwischen gefrorenen Böden gibt es nicht gefrorene Bereiche. Die charakteristischste Form in dieser Zone sind Thermokarstbecken oder Alasen. Sie entstehen an Orten, an denen der Boden durch auftauenden Permafrost absinkt. Oft sind solche Becken von Seen eingenommen. Interessanterweise sind solche Seen nur von kurzer Dauer. Wasser aus ihnen kann durch Risse in Gletscheradern in das Bett eines benachbarten Flusses fließen, und an der Stelle des Sees bildet sich ein sumpfiges Tiefland.

Zone der Inselverteilung des Permafrosts

Diese Zone umfasst die Baikalregion und den Süden. Die gleichen Formen von Mikroreliefs sind hier üblich wie in der vorherigen Zone, aber sie sind viel seltener und auf die „Inseln“ des Permafrosts beschränkt.

Permafrost und seine Eigenschaften

Anmerkung 1

Permafrost (oder Permafrost, Permafrost, Permafrost) ist ein Teil des Permafrosts, der durch das Fehlen periodischen Auftauens gekennzeichnet ist. Die Gesamtfläche des Permafrosts auf dem Planeten beträgt 35 Millionen Quadratmeter. km. Das sind etwa 25 % des gesamten Landes. In Australien gibt es keinen vollständigen Permafrost. In Afrika kommt Permafrost nur in Hochgebirgsregionen vor.

Die ausgedehntesten Permafrostgebiete:

• Nordalaska;
• Nordeuropa;
• Kanada;
• Nordasien;
• Antarktis;
• Inseln des Arktischen Ozeans.

Permafrostgebiete nehmen den oberen Teil der Erdkruste ein. Die Temperatur in diesen Gebieten steigt nicht über 0 °C (mehrere tausend Jahre lang). Das Grundwasser liegt in dieser Zone ständig in Form von Eis vor. Der Boden gefriert bis zu einer Tiefe von 1 km. Die Rekordgefriertiefe beträgt 1370 m.

Im Permafrost bilden sich Methanhydratablagerungen.

Verschiedenen Quellen zufolge bestehen 60 bis 65 % des Territoriums Russlands aus Permafrost. Es ist in Transbaikalien und Ostsibirien weiter verbreitet. Die höchste Permafrostgrenze liegt in Jakutien am Oberlauf des Flusses Vilyui.

Die Berücksichtigung des Permafrosts ist bei geologischen Erkundungen, Bauarbeiten und anderen Arbeiten in den nördlichen Regionen sehr wichtig.

Studium des Permafrosts

Einige der ersten Beschreibungen von Permafrost stammen von russischen Entdeckern des 17. Jahrhunderts, die die riesigen Weiten Sibiriens eroberten. Zum ersten Mal machte Ya. Svyatogorov auf den Zustand der Bodenbedeckung aufmerksam. Anschließend wurden die Böden von den Pionieren Ivan Rebrov und Semyon Dezhnev untersucht. Sie wiesen auf das Vorhandensein spezieller Taigazonen hin, in denen der Boden auch im Sommer nicht auftaut. Im Jahr 1640 bestätigten M. Glebov und P. Golovin, dass die Erde mitten im Sommer nicht auftaut.

Als besonderes geologisches Phänomen wurde der Begriff „Permafrost“ vom Gründer der Schule der Permafrostwissenschaftler in der Sowjetunion, M. I., in Gebrauch eingeführt. Sumgin im Jahr 1927. Er wies darauf hin, dass dieses Konzept Bodenpermafrost impliziert, der zwischen zwei und mehreren tausend Jahren anhält.

Der Begriff „Permafrost“ wurde oft kritisiert, daher wurden Alternativen vorgeschlagen: Permafrost und Permafrost. Diese Optionen werden jedoch nicht häufig genutzt.

Der Begriff „gefrorenes Gestein“ gliedert sich in Begriffe wie:

• kurzfristig gefrorenes Gestein (Tage, Stunden);
• saisonal gefrorenes Gestein (Monate);
• Permafrost (Zehner, Hunderte und Tausende von Jahren).

Zwischen diesen Typen gibt es gegenseitige Übergänge und Zwischenformen. Daher taut saisonal gefrorenes Gestein im Sommer möglicherweise nicht auf und kann mehrere Jahre überleben. Solche Formen werden „Überweisungen“ genannt.

Permafrost ist ursprünglich ein Relikt der Eiszeiten des Quartärs. In postglazialen Zeiten wurde eine Klimaerwärmung beobachtet, die zum Auftauen gefrorener Gesteine ​​und zu einer Verringerung ihrer Verbreitungsgebiete führte. Dies beweist den Inselcharakter der Permafrostverteilung, die Existenz einzelner Arten und Teile der Flora und Fauna im gefrorenen Gestein und den aktiven Prozess des Auftauens.

Nicht alle Wissenschaftler stimmen dieser Ansicht zu. Einige glauben, dass Permafrost ein modernes Phänomen ist. Als Beweis führen sie Beobachtungen der Entwicklung von Permafrost auf Inseln an, die kürzlich in den Deltas großer Flüsse in Sibirien entstanden sind. Der Hauptgrund für das Auftreten von Permafrost sind lange, schneefreie Winter mit niedrigen Temperaturen und kurzzeitige Sommer, in denen sich Eis im Boden ansammelt, weil dieser keine Zeit zum Schmelzen hat.

Bodenbedeckung von Permafrostgebieten

In Permafrostgebieten bilden sich spezifische Bodenstrukturen aus, darunter Stein- und Torfkreise, Steingirlanden, vieleckige Risse und Steinstreifen. Diese unter dem Einfluss kryogener Prozesse entstandenen Strukturen befinden sich auf den Gipfeln vieler Berge.

In Böden, die sich in der Zone des permanenten oder langfristigen saisonalen Permafrosts befinden, finden eine Reihe von Prozessen statt, die vom Einfluss niedriger Temperaturen abhängen. Oberhalb der gefrorenen Schicht – dem Grundwasser – kommt es aufgrund der Koagulation organischer Verbindungen zu einer Ansammlung von Humus bzw. einer Humusregeneration über dem Permafrostboden, einer Vergleyung, selbst bei geringem Jahresniederschlag.

Die Bildung von Schlieren (Eisschichten) im Boden trägt zum Bruch der Kapillaren bei, wodurch der Wassertransport aus den Suprapermafrosthorizonten in die Wurzelschicht stoppt.

Ringstrukturen können sowohl durch Bodengefrierung als auch durch Wassergefrierung entstehen. Beim Gefrieren von Wasser entstehen hauptsächlich Torfkreise, die mit abwechselndem Auftauen und Gefrieren des Wassers, Aufbrechen und Ausdehnen der Bodenschicht einhergehen. Wenn der Boden gefriert und Setzungsrisse entstehen, bilden sich Steinringe. Quellschmelzwasser fließt in Risse, entfernt feinkörniges Material und hinterlässt groben Schutt auf der Oberfläche. So entsteht ein polygonales Risssystem.

Das Vorhandensein einer gefrorenen Schicht verursacht Prozesse wie:

• Solifluktion – Gleiten einer mit Wasser gesättigten Bodenmasse entlang der gefrorenen Schicht von den Hängen;
• Kryoturbation – Durchmischung der Bodenmasse unter dem Einfluss von Temperaturunterschieden.

Besonders verbreitet sind diese Phänomene in der Tundrazone. Kryogene Deformationen bestimmen die Bildung fleckiger Tundren und des charakteristischen Hügel-Depressions-Reliefs, einschließlich Heave-Hügeln und Thermokarst-Depressionen.

Die kryogene Strukturierung des Bodens erfolgt unter dem Einfluss niedriger Temperaturen. Negative Temperaturbedingungen fördern den Übergang von Produkten, die an Bodenbildungsprozessen beteiligt sind, in kondensiertere Formen, was ihre Mobilität erheblich verlangsamt. Die Anreicherung des mittleren Teils des Profils von Podgold-Böden mit Kieselsäure ist mit dem Einfluss kryogener Phänomene verbunden. In diesem Fall wird das weißliche Pulver als Folge der Permafrostdifferenzierung des Bodenplasmas angesehen.

Die Permafrostkoagulation von Kolloiden bestimmt die Ferruginisierung von Taiga-Böden.

Auf einem bedeutenden Teil des Landes – auf 25 % seiner Fläche, wo die durchschnittlichen Jahrestemperaturen negativ sind – haben die Felsen in einiger Tiefe von der Oberfläche viele Jahre lang eine negative Temperatur. Gesteinsschichten mit negativen Temperaturen werden Permafrostschichten genannt – Permafrost (Permafrost). Permafrost kann trocken sein und kein Wasser enthalten, aber viel häufiger enthält er gefrorenes Wasser und manchmal auch flüssiges Wasser.
Die Permafrostgrenze auf dem eurasischen Festland teilt die Kola-Halbinsel in nördliche (größere) und südliche (kleinere) Teile und reicht von der Kehle des Weißen Meeres entlang des Polarkreises bis zum Ural. Im Ural biegt die Grenze scharf nach Süden ab, gelangt dann in die Westsibirische Tiefebene und überquert diese vom Ob (Tobolsk) bis zum Jenissei (der Mündung der Podkamennaya Tunguska). Entlang des rechten Ufers des Jenissei fällt die Grenze nach Süden ab, erobert einen Teil des Territoriums der Mongolischen Volksrepublik, betritt erneut russisches Territorium in der Nähe der Stadt Blagoweschtschensk und wendet sich mit einer leichten Biegung nach Süden der Tatarenstraße zu . Die Permafrostgrenze verläuft so über Kamtschatka, dass jenseits ihrer Grenzen nur ein Streifen entlang der Küste der südlichen Hälfte der Halbinsel verbleibt. In Nordamerika bedeckt Permafrost die Becken Yukon, Mackenzie, Hudson Bay und die nördliche Hälfte von Labrador (Abb. 86).
Auf arktischen und antarktischen Inseln wurde Permafrost beobachtet. Die Frage des Vorhandenseins von Permafrost auf mit Kontinentaleis bedeckten Landflächen (Grönland, Antarktis) kann noch nicht als geklärt gelten.
Die Permafrostgrenze verschiebt sich. Derzeit gibt es einen leichten Rückzug nach Norden.
In dem Gebiet innerhalb der Permafrost-Verbreitungsgrenze gibt es Gebiete mit kontinuierlicher Permafrost, Gebiete mit Taliks und Inselpermafrost.

Die Temperatur des Permafrostbodens in einer Tiefe von 15 bis 20 m schwankt je nach Bedingungen (Relief, Vegetation, Schneehöhe usw.) zwischen -0,1 und -1,2 °C. Unter „Fließstreifen“ (Flüssen oder Grundbächen) steigt die Temperatur und oft gibt es überhaupt keinen Permafrost oder er liegt tiefer als in angrenzenden Gebieten.
Die Dicke des Permafrosts variiert (von einigen Metern bis 600–800 m). Generell nimmt die Leistung von mittleren zu hohen Breiten zu. Die größte Permafrostdicke – 800 m – wurde an der Küste der Khatanga-Bucht festgestellt. Die Untergrenze des Permafrosts hängt von der Wärmezufuhr aus tieferen Erdschichten ab.
Über dem Permafrost befindet sich an der Oberfläche eine Schicht saisonalen Permafrosts, der in der warmen Jahreszeit auftaut. Die Dicke dieser Schicht wird durch die klimatischen Bedingungen bestimmt und erreicht 5 m. Wenn der Permafrost tief ist, wird er vom saisonalen Permafrost durch eine Schicht getrennt, die überhaupt nicht gefriert.
Grundwasser unter Permafrostbedingungen ist etwas ganz Besonderes. Das Eis, das entsteht, wenn Wasser in den Poren des Gesteins gefriert, zementiert das Gestein und macht es wasserdicht. An manchen Stellen gibt es Ansammlungen von unterirdischem Eis („Gesteinseis“): Linsen, Schichten, Adern, die unter einer Gesteinsschicht vergraben oder im Gestein verkeilt sind. Im Permafrost unterscheidet man Supra-Permafrost-, Inter-Permafrost- und Sub-Permafrost-Grundwasser.
Suprapermafrostgewässer- Wasser der saisonalen Permafrostschicht. Sie ernähren sich von Niederschlägen und Wasser aus dem im Sommer schmelzenden Bodeneis und kommen nicht häufig vor. Typischerweise sind diese Wässer leicht mineralisiert, mit Ausnahme von stark mineralisiertem Wasser, das sich in Becken ohne Abfluss ansammelt. Wenn die Temperatur unter 0 °C sinkt, üben suprapermafrostiges Wasser Druck auf das noch nicht gefrorene Wasser aus, dieses sammelt sich an Orten mit dem niedrigsten Druck und hebt beim Gefrieren die bereits gefrorenen oberen Schichten an, wodurch Hydrolakkolithe und Hügel (Bulgunnyakhs) entstehen. Wasser, das an die Oberfläche dringt, verwandelt sich in Eishügel – Eis. In der warmen Jahreszeit treten aus zahlreichen Quellen suprapermafrostige Gewässer an die Oberfläche.
Interpermafrostgewässer befinden sich mitten im Permafrost und können nur dann in einem aufgetauten Zustand sein, wenn sie in Bewegung sind. Sie können häufiger in Talikgebieten beobachtet werden. Interpermafrostgewässer verbinden Suprapermafrostgewässer mit Subpermafrostgewässern; Darüber hinaus kann ihre Bewegung nach unten und nach oben erfolgen. Im ersten Fall werden sie von suprapermafrostigem Wasser gespeist und ihre Eigenschaften (Temperatur, Salzgehalt) hängen von den äußeren Bedingungen ab; im zweiten Fall ernähren sie sich von subpermafrosthaltigem Wasser und haben mit ihnen gemeinsame Eigenschaften.
Subpermafrostgewässer nie frieren und oft unter Druck stehen. Der Grad ihrer Mineralisierung variiert und die Temperatur steigt mit der Tiefe. Subpermafrostgewässer unterscheiden sich hinsichtlich der Neubildungs- und Abflussbedingungen vom Grundwasser in Gebieten ohne Permafrost. Diese Gewässer werden durch Taliks gespeist und bilden, wenn sie an die Oberfläche kommen, entspringende Quellen. Alle drei Wasserarten interagieren unter den Tälern großer Flüsse und in Seebecken, also dort, wo kein Permafrost vorhanden ist.
Die Bildung von Permafrost ist bei niedrigen Temperaturen und geringer Schneedecke möglich, die das Gestein nicht vor dem Einfrieren schützen kann. Solche Bedingungen herrschten während der Eiszeit in Gebieten, die nicht mit Eis bedeckt waren, und herrschen heute an Orten vor, an denen die Winter streng und schneearm sind und die Sommer so kurz sind, dass die im Winter gefrorene Schicht keine Zeit zum Auftauen hat (z. B. in Jakutien). Permafrost könnte als Relikt der letzten Eiszeit erhalten geblieben sein, kann aber auch unter modernen Bedingungen entstehen. Die Entstehung von Permafrost wird auf neu gebildeten Inseln in Flussdeltas beobachtet, die in den Arktischen Ozean münden.

Permafrost ist weit verbreitet und kommt hauptsächlich in Kryolithozonen vor, Gebieten, in denen von Jahr zu Jahr in einer gewissen Tiefe Minustemperaturen herrschen. Der Ursprung des Permafrosts ist noch unklar. Die ersten Forscher betrachteten Permafrostgestein als Überbleibsel antiker Vereisungen. Das Vorhandensein von fossilem Eis und die Phasenvorhangtheorie könnten als Bestätigung solcher Ansichten dienen. Derzeit besteht jedoch eine Diskrepanz zwischen den Grenzen der Vergletscherung und den modernen Grenzen des Permafrosts. Forscher wie Miedendorf und G. Wilde brachten die Bildung von Permafrost mit den lokalen klimatischen Bedingungen in Zusammenhang.

Es wurde festgestellt, dass die durchschnittliche Jahrestemperatur über dem Meeresspiegel pro 200 m Anstieg um etwa 1 °C sinkt. Permafrost könnte sich laut G. Wilde in Gebieten mit einer durchschnittlichen Jahrestemperatur von -2 °C gebildet haben und darunter. Die modernen Grenzen des Permafrostvorkommens liegen recht nahe an dieser Bedingung. M. I. Sumgin geht davon aus, dass am Ende des Pliozäns starke Kälteeinbrüche begannen. Diese sich periodisch wiederholenden Kälteeinbrüche führten zu einem Defizit im Wärmehaushalt und zur Entstehung von Permafrost. Mit der Zeit könnten diese Kälteeinbrüche mit den Vereisungen in der ersten Hälfte des Quartärs in Zusammenhang stehen.

So hat M.I. Sumgin verallgemeinert gewissermaßen bisherige Hypothesen. Allerdings ist davon auszugehen, dass der Ursprung des Permafrosts noch nicht abschließend geklärt ist. Derzeit laufende Forschungsarbeiten werden voraussichtlich eine Lösung dieses Problems ermöglichen.

Ursprung des Permafrosts

Permafrost ist unabhängig von seiner Zusammensetzung in der Regel wasserdicht. Daher kann das Grundwasser in Gebieten, in denen Permafrost auftritt, in drei Haupttypen unterteilt werden: Subpermafrost, Interpermafrost und Suprapermafrost.
Subpermafrostgewässer, die unterhalb der Permafrostgesteinsschicht liegen, unterscheiden sich in ihren Eigenschaften unter normalen Bedingungen praktisch nicht vom Grundwasser. In nördlicheren Breiten entwickeln sie sich im Grundgestein und in südlicheren Breiten in alluvialen Ablagerungen von Tälern. Subpermafrostgewässer stehen oft unter Druck und können als Wasserversorgungsquelle genutzt werden.

Interpermafrostgewässer liegen in einer Schicht von Permafrostgesteinen. Sie sind in der Regel auf lokale Taliks beschränkt und stellen isolierte Wasseransammlungen dar, manchmal verbunden mit Subpermafrost- und Suprapermafrostgewässern. Die Reserven an Interpermafrostwasser sind sehr groß begrenzt, da das Volumen der Taliks, auf die sie beschränkt sind, unbedeutend ist. Außerhalb der Taliks kann Interpermafrostwasser in fester Phase vorkommen und fossiles Eis bilden.

Unter Bedingungen von geschichtetem Permafrost können diese Gewässer einen kontinuierlichen Grundwasserleiter bilden und unter Druck oder ohne Druck stehen, genau wie interstratale Gewässer unter normalen Bedingungen. In einigen Fällen ist die Bewegung von Interpermafrostwässern entlang von Rissen und anderen Störungen in der Permafrostdicke möglich. Solche Gewässer können mit Spaltengewässern in nicht gefrorenen Zonen verglichen werden.

Von größtem Interesse sind suprapermafrostige Gewässer. Aufgrund ihres Vorkommens ähneln sie dem Grundwasser, da sie über ein wasserdichtes gefrorenes Bett und eine freie Oberfläche verfügen (Abb. 1). In Gebieten mit Permafrostschmelzen gefriert Suprapermafrostwasser saisonal und verwandelt sich im Winter in Eis. In Gebieten mit nicht verschmelzendem Permafrost können diese Gewässer saisonal halbgefroren sein, wenn nur ihr oberer Teil, der sich in der aktiven Schicht befindet, gefriert, oder nicht gefrieren, wenn sich der gesamte Grundwasserleiter in einem Talik befindet.

Bild 1. Anordnung der Supermafrostgewässer:

saisonales Gefrieren; b-saisonal halb gefrierend; saisonal nicht gefrierend;

Die Bewegung von Supra-Permafrost-Gewässern wird in erster Linie aus denselben Gründen verursacht und erfolgt nach denselben Gesetzmäßigkeiten wie die Bewegung von Grundwasser unter Nicht-Permafrost-Bedingungen und darüber hinaus durch den Druck, der sich in einem geschlossenen Raum entwickelt, da das darin enthaltene Wasser es gefriert und vergrößert sein Volumen um etwa 9 %. Unter Permafrostbedingungen ist diese Art der Bewegung von Suprapermafrostwasser sehr wichtig.

Es ist bekannt, dass Wasser, das auf engstem Raum gefriert, unterkühlt werden kann und daher unter hohem Druck steht. Wie groß die Kraft des Unterkühlungsdrucks ist, lässt sich am bekannten Beispiel der Eisbereitung in einer Box erkennen. Um Eis herzustellen, wurde ein Kasten mit den Maßen 30 x 10 x 6 m sofort mit Wasser gefüllt, anstatt ihn nacheinander zu füllen und in dünnen Schichten einzufrieren. Das Wasser begann von allen Seiten gleichzeitig zu gefrieren, und sein Inneres stand unter enormem Druck und befand sich wahrscheinlich in einem Zustand der Unterkühlung.

Es kam zu einer Explosion von enormer Wucht, bei der Eisblöcke mit einem Volumen von mehreren Kubikmetern in einer Entfernung von bis zu 20–30 m herausgeschleudert wurden. Kleinere Eisstücke wurden in noch größere Entfernungen geschleudert. Aus dem oben Gesagten ist klar, dass der Druck Eine Unterkühlung reicht aus, um eine Wasserbewegung auszulösen.

Ingenieurgeologische Phänomene in Permafrostzonen

Naledi:

Wie bereits erwähnt, spielt Wasser, das die Poren nicht felsiger Gesteine ​​füllt, beim Gefrieren die Rolle eines ziemlich starken Zements und verwandelt das Gestein in eine feste monolithische Masse. Dieser Vorgang geht mit einer Änderung des Gesteinsvolumens beim Gefrieren einher und Auftauen und wird durch den Wert der relativen Kompression δ charakterisiert. Beim Übergang von gefrorenem Boden in einen aufgetauten Zustand stellt δ das Verhältnis der Dickenänderung der Bodenschicht beim Auftauen unter Belastung zu ihrer ursprünglichen Dicke dar und wird durch ausgedrückt Formel:

δ=(hm-ht)/hm=(em-et)/(1+em) (1)

wobei hm die Dicke der gefrorenen Bodenschicht ist; ht ist die Dicke der Schicht desselben Bodens nach dem Übergang in einen aufgetauten Zustand unter Bedingungen, bei denen eine seitliche Ausdehnung bei einem bestimmten Druck nicht möglich ist; Em-Porositätskoeffizient von Naturgestein im gefrorenen Zustand; et ist der Porositätskoeffizient eines natürlichen Gesteins nach seinem Übergang in einen aufgetauten Zustand unter Bedingungen, bei denen eine seitliche Ausdehnung bei einem bestimmten Druck unmöglich ist. Bei tonigen Gesteinen wird et beim Feuchtigkeitsgehalt an der Fließgrenze bestimmt, bei sandigen Gesteinen – wenn die Probe ohne Schütteln unter Bedingungen des freien Schmelzwasserflusses aufgetaut wird. Bei ausreichend großen Werten von δ kommt es beim Auftauen der gefrorenen Schicht zu einer starken Abnahme des von ihr eingenommenen Volumens, was wiederum zu einem erheblichen Absinken führt.

Es ist offensichtlich, dass, wenn der Wert der relativen Kompression des gefrorenen Bodens während des Auftauens δ und die Kraft des möglichen Auftauens von Permafrost h bekannt sind, der Gesamtwert der Senkung während des Auftauens S = δh ist. Während des Übergangs der aktiven Schicht von der Vom aufgetauten Zustand in den gefrorenen Zustand und zurück treten eine Reihe technischer und geologischer Phänomene auf. Weit verbreitete Aufeis, Eishügel (Bulgunyakhi), Solifluktion, Thermokarst und andere. Eisdämme entstehen durch unterirdisches Wasser, das im Winter an die Oberfläche austritt. Im gefrierenden Suprapermafrostwasser entsteht ein hoher Druck.

Unterkühltes Wasser sprengt die entstandene Kruste aus eisgetränktem Gestein, bricht an die Oberfläche und gefriert aufgrund der Unterkühlung sofort. Eis bildet riesige Eisansammlungen in Form von Ablagerungen und Stalaktiten entlang der Hänge des Gebiets und blockiert diese Straßenoberflächen. Es gab Fälle, in denen gefrierendes Grundwasser in die unterirdischen und unteren Stockwerke von Häusern eindrang, dort Eis bildete und in eigenartigen Eisfällen aus den Fenstern der Häuser floss.

Die Eisbildung auf der Fahrbahn erklärt sich dadurch, dass durch die Verdichtung der Schneedecke die Gefriertiefe und damit der Druck im gefrorenen Wasser zunimmt. Um der Eisbildung auf Straßen entgegenzuwirken, empfiehlt es sich, Gräben auszuheben oder einfach Schnee über den Fluss des Subpermafrostwassers zu räumen. An diesen Stellen bilden sich Zonen mit tieferem Gefrieren, der Abfluss von Suprapermafrostwasser wird verzögert und es kommt zur Eisbildung abseits des Schutzgebiets.

Naledi haben die unterschiedlichsten Formen und nehmen Flächen von mehreren zehn Quadratmetern bis zu mehreren Quadratkilometern ein.I.V. Popov weist darauf hin, dass Eis mit einer Fläche von 20,5 km2 und einer Dicke von 4,5-5,5 m bekannt ist. M.I. Sumgin stellt vier Phasen während der Entwicklung von Aufeis fest:

1) die ersten Tage des Eises – das Eis ist dünn, die Größe ist klein;

2) das Eis wird stärker, wächst schnell in Länge und Breite und es entstehen Eishügel;

3) das Eis erreicht seine maximale Länge und Breite; seine Macht wächst weiter; Eishügel spalten sich, aus einigen strömt Wasser; wenn sich Risse bilden, kommt es zu Explosionen, Eisblöcke mit einem Gewicht von bis zu 200 Tonnen werden in eine Entfernung von 10 m oder mehr geschleudert;

4) das Eis schmilzt, das Wachstum stoppt, die Oberfläche wird mit Vertiefungen, Kanälen und Gräben bedeckt und die Hügel sinken ab; Das Schmelzen beginnt im Frühjahr, in den nördlichen Regionen dauert es jedoch bis Juli und August. Manchmal bleiben die Eisdämme bis zum Winter bestehen und werden zu mehrjährigen Eisdämmen. Wenn gefrierendes Wasser, das durch Risse aufsteigt, nicht an die Oberfläche dringen kann, erhöht es die Eisschicht oberste Schicht der Erde, die einen Hügel bildet (bulgunyah). Im Inneren eines solchen Hügels befindet sich eine Eiskuppel (Hydrolakkolith).

Manchmal befindet sich im Hydrolacccolith ein mit Wasser gefüllter Hohlraum. Wenn sich ein Hügel bildet, biegen sich mit Erde aufgewachsene Bäume in verschiedene Richtungen und bilden einen betrunkenen Wald. Die Abmessungen solcher Eishügel erreichen einen Durchmesser von 80 m oder mehr und ihre Höhe erreicht 10 m im Süden und bis zu 30 m in den nördlichen Regionen.

In bestimmten Zonen gibt es große Mengen fossilen Eises, das von späteren Ablagerungen von Sedimentgesteinen bedeckt ist. Fossiles Eis findet man auf den Inseln des Arktischen Ozeans und im Norden des asiatischen Kontinents. Da es sich bei den darüber liegenden Sedimenten größtenteils um Moränen handelt, gehen einige Forscher davon aus dass dieses Eis vergrabene Überreste antiker Gletscher darstellt. Laut Popov I.V. , Spalten oder Adern, fossiles Eis und Eiskeile, die sich parallel zur Ansammlung von Auensedimenten in alluvialen Tälern unter den Bedingungen strenger und schneearmer Winter bildeten.

Das Schmelzen von unterirdischem Eis und das Auftauen von eisigen Permafrostböden im oberen Teil der Permafrostzone führen zu einem Absinken der Oberfläche und zur Bildung von Reliefformen, die dem Aussehen ähneln. Daher werden solche Phänomene als Thermokarst bezeichnet. In Thermokarst-Entwicklungszonen gibt es Senken und Trichter mit einer Größe von einem bis mehreren Metern Durchmesser, Senken, Untertassen und Mulden – sanfte Senken mit einem Durchmesser von Hunderten von Metern und einer Tiefe von nur mehreren zehn Zentimetern, Senkungsbecken mit einer Fläche von ​​​bis zu mehreren Quadratkilometern und einer Tiefe von mehreren Metern.

Die entstehenden Senken können sich mit Wasser füllen und so Thermokarstseen bilden, die eine bedeutende Rolle bei der weiteren Entwicklung des Thermokarsts spielen. Ein Thermokarstsee ist wie ein Wärmeschutz, der eine Erwärmung der Bodensedimente bewirkt. Damit verbunden ist auch die Tiefe des Auftauens des Bodens steigt, was wiederum zur Entstehung von Thermokarst führt. Die Hauptursache für Thermokarstphänomene ist die Freilegung der Oberfläche der aktiven Schicht infolge der Abholzung oder Pflügen des Bodens.

Diese Phänomene können auch als Folge der Klimaerwärmung auftreten. Thermokarst kann in abgeschwächter Form überall dort beobachtet werden, wo beim Abschmelzen Eislinsen und -schichten entstehen. Beim Auftauen gehen eisgesättigte Schluff- und Tonböden in einen verflüssigten Zustand über. Solche durch Schmelz- und Regenwasser überfeuchteten Böden beginnen bei Neigungswinkeln von 3–5° zu fließen und bilden Absackungen, Felsvorsprünge, Furchen, Terrassen und andere Formen des Mikroreliefs. Solche Phänomene werden Solifluktion genannt.

Im hohen Norden, entlang der Nordküste, ist die Solifluktion einer der wichtigsten Faktoren bei der Bearbeitung und Nivellierung des Reliefs. In einigen Fällen führt es zur Bildung komplexer Stufenhänge – Bergterrassen. Die Höhe der Hänge solcher Terrassen erreicht mehrere Dutzend Meter und die Steilheit beträgt 25–30° und in einigen Fällen 90°. Horizontale Bereiche, die mit bis zu 4 m dicken Solifluktionsablagerungen bedeckt sind, erstrecken sich über Hunderte von Metern.

Ingenieurgeologische Baubedingungen in Kryolithozonen

Das besondere thermische Regime in Kryolithozonen erfordert spezielle Baumethoden. Derzeit gilt je nach den gestalterischen und technologischen Merkmalen von Gebäuden und Bauwerken, den technischen und geokryologischen Bedingungen und der Möglichkeit, die Eigenschaften von Bauböden in die erforderliche Richtung zu verändern, eines der beiden folgenden Prinzipien Die Verwendung von Permafrostböden als Fundament wird für Gebäude und Bauwerke akzeptiert:

Prinzip I – Permafrost-Grundböden werden in gefrorenem Zustand verwendet und während des Bauprozesses und während der gesamten festgelegten Betriebsdauer des Gebäudes oder Bauwerks erhalten;
Grundsatz II – Permafrostgrundböden werden im aufgetauten Zustand verwendet (unter der Annahme, dass sie während des Betriebs des Gebäudes oder Bauwerks auftauen oder bis zur berechneten Tiefe vor Baubeginn des Gebäudes auftauen).

Die Wahl der einen oder anderen Methode hängt nicht von den Wünschen der Planer ab, sondern von den strukturellen und thermischen Eigenschaften der zu errichtenden Gebäude und Bauwerke sowie von den geomorphologischen und geotechnischen Eigenschaften der Bedingungen, unter denen Permafrostböden (Gesteinsschichten) entstehen. Daher liegen als Ergebnis ingenieurgeologischer Untersuchungen von Permafrostschichten Daten über die Möglichkeit der Umsetzung der einen oder anderen Bauweise vor.

Der Bau unter Beibehaltung des Permafrostregimes ist in vielerlei Hinsicht am bequemsten. Permafrostschichten weisen viele Eigenschaften von Gesteinsmassen auf, sodass Bauwerke, deren Fundamente in den gefrorenen Schichten eingebettet sind, eine ausreichende Stabilität erhalten. Allerdings überträgt jedes Gebäude oder Bauwerk eine gewisse Wärmemenge über seine Fundamente.

Bei Gebäuden und Bauwerken mit geringer Wärmeabgabe sind solche konstruktiven Lösungen für Fundamente möglich, bei denen sich das Temperaturregime der komprimierbaren Bodenschicht praktisch nicht ändert. Bei all diesen konstruktiven Maßnahmen geht es darum, sicherzustellen, dass die vom Gebäude erzeugte Wärme innerhalb der aktiven Schicht aufgenommen wird und sich nicht auf die gefrorene Schicht ausbreitet.

Dennoch kann es auch unter solchen Bedingungen vorkommen, dass die aktive Schicht direkt unter dem Gebäude im Winter nicht gefriert. Ein solcher Bereich ist schwächer als die umliegenden Bereiche, und in Fällen, in denen in einem bestimmten Bereich Eisbildung möglich ist, dringt Eis in den Bereich ein unterirdische und untere Stockwerke des Gebäudes. Ein erheblicher Teil der Industrie- und Zivilgebäude gibt solche Wärmemengen ab, die unweigerlich zu einer Verletzung des Temperaturregimes gefrorener Schichten führen.

Darüber hinaus sind in vielen Industriegebäuden Vibrationen durch installierte Maschinen möglich. Eine Vibrationsbelastung kann die Festigkeit des Eises zerstören und einen Teil davon in diesen Zustand versetzen. In solchen Fällen ist ein Bau mit der Methode zur Aufrechterhaltung des Temperaturregimes gefrorener Schichten nicht möglich und es sollte die Möglichkeit eines vorläufigen oder nachträglichen Auftauens vorgesehen werden. Das Auftauen von Permafrost verändert nicht nur die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Gesteinen, sondern auch deren Volumen dramatisch.

Es kommt zu einem Absinken der Bodenmasse unter dem Bauwerk, wodurch das Bauwerk an Stabilität und Festigkeit verliert. Bei ingenieurgeologischen Untersuchungen in diesen letzteren Fällen stellen sich zwei Aufgaben: die Möglichkeit der Anwendung der Methode des nachträglichen Auftauens festzustellen und eine Zone (oder, wie man sagt, eine Schüssel) für mögliches Auftauen festzulegen (Abb. 2).

Figur 2. Bildung einer Auftauschale unter dem Gebäude:

tp-Raumtemperatur; tm ist die Anfangstemperatur des gefrorenen Bodens; b-Breite des Gebäudes; hc ist die Auftautiefe unter der Gebäudemitte; hk ist die Tautiefe unter der Gebäudekante; ξk ist die Taumenge an der Gebäudeseite.

Um den Bau im anschließenden Auftauverfahren durchführen zu können, ist es erforderlich, dass innerhalb des auftauenden Dickichts keine separaten Eisansammlungen in Form von Linsen, Stäben usw. vorhanden sind. Das Auftauen solcher Eiseinschlüsse führt zu einem lokalen scharfen (um etwa 10). %) Verringerung des Bodenvolumens und führt zu Setzungen des entsprechenden Gebäudeteils oder Bauwerks. Daher ist bei der Forschung eine besonders sorgfältige Untersuchung der Struktur der gefrorenen Schichten erforderlich.

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In der Tiefe und an der Oberfläche befindliches Wasser gefriert bis zu einer Tiefe von 500 m und mehr. Über 25 % der gesamten Landoberfläche der Erde sind von Permafrost bedeckt. Unser Land verfügt über mehr als 60 % dieses Territoriums, da fast ganz Sibirien in seinem Verbreitungsgebiet liegt.

Dieses Phänomen wird Stauden- oder Permafrost genannt. Allerdings kann sich das Klima im Laufe der Zeit in Richtung einer Erwärmung ändern, weshalb der Begriff „mehrjährig“ für dieses Phänomen angemessener ist.
Während der Sommersaison – und sie ist hier sehr kurz und flüchtig – kann die oberste Schicht der oberflächlichen Böden auftauen. Unterhalb von 4 m gibt es jedoch eine Schicht, die nie auftaut. Grundwasser kann sich entweder unter dieser gefrorenen Schicht befinden oder in flüssigem Zustand zwischen Permafrostschichten (es bildet Wasserlinsen – Taliks) oder über der gefrorenen Schicht verbleiben. Die oberste Schicht, die dem Einfrieren und Auftauen ausgesetzt ist, wird als aktive Schicht bezeichnet.

POLYGONALE BÖDEN

Eis im Boden kann Eisadern bilden. Sie treten häufig an Stellen auf, an denen Frostrisse (die bei starkem Frost entstehen) mit Wasser gefüllt sind. Wenn dieses Wasser gefriert, beginnt sich der Boden zwischen den Rissen zu verdichten, da Eis eine größere Fläche einnimmt als Wasser. Es entsteht eine leicht konvexe Oberfläche, eingerahmt von Vertiefungen. Solche polygonalen Böden bedecken einen erheblichen Teil der Tundraoberfläche. Wenn der kurze Sommer kommt und die Eisadern zu tauen beginnen, bilden sich ganze Räume, die wie ein Gitter aus Landstücken aussehen, die von Wasserkanälen umgeben sind.

Unter den Polygonalformationen sind Steinpolygone und Steinringe weit verbreitet. Bei wiederholtem Gefrieren und Auftauen des Bodens kommt es zum Gefrieren, wodurch größere im Boden enthaltene Fragmente durch das Eis an die Oberfläche gedrückt werden. Auf diese Weise wird der Boden sortiert, da seine kleinen Partikel in der Mitte der Ringe und Polygone verbleiben und große Fragmente an deren Ränder verschoben werden. Dadurch entstehen Steinschächte, die kleineres Material einrahmen. Manchmal siedeln sich Moose darauf an, und im Herbst verblüffen die Steinpolygone mit ihrer unerwarteten Schönheit: helle Moose, manchmal mit Moltebeer- oder Preiselbeersträuchern, umgeben von allen Seiten von grauen Steinen, die wie speziell angefertigte Gartenbeete aussehen. Solche Polygone können einen Durchmesser von 1-2 m erreichen. Wenn die Oberfläche nicht flach, sondern geneigt ist, verwandeln sich die Polygone in Steinstreifen.

Das Gefrieren von Trümmern vom Boden führt zur Bildung einer chaotischen Ansammlung großer Steine ​​auf den Oberflächen und Hängen von Bergen und Hügeln in der Tundrazone, die zu steinernen „Meeren“ und „Flüssen“ verschmelzen. Es gibt einen Namen für sie: „Kurums“.

BULGUNNYAKHI

Dieses jakutische Wort bezeichnet eine erstaunliche Form – einen Hügel oder Hügel mit einem Eiskern im Inneren. Es entsteht durch eine Zunahme des Wasservolumens beim Gefrieren in der Suprapermafrostschicht. Dadurch hebt das Eis die Oberflächendicke der Tundra an und es entsteht ein Hügel. Große Bulgunnyakhs (in Alaska werden sie mit dem Eskimowort „Pingo“ genannt) können eine Höhe von bis zu 30–50 m erreichen.

Auf der Oberfläche des Planeten zeichnen sich in kalten Naturzonen nicht nur Gürtel aus durchgehendem Permafrost ab. Es gibt Gebiete mit der sogenannten Insel. Es kommt in der Regel im Hochland, an rauen Orten mit niedrigen Temperaturen, beispielsweise in Jakutien, vor und ist der Überrest – „Inseln“ – des ehemaligen, ausgedehnteren Permafrostgürtels, der aus der Zeit des letzten erhalten geblieben ist.

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