РАЙОНЫ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Функционирование инженерных сооружений в условиях вечной мерзлоты в значительной степени определяется климатическими и геокриологическими особенностями районов их строительства и эксплуатации.

Помимо этих проблем, не менее важны и вопросы, связанные с обеспечением транспортного строительства соответствующими строительными материалами и ресурсами. Именно эта проблема при сооружении железных дорог на севере Тюменской области являлась основной, и необходимость ее решения заставляла проектировщиков пренебрегать геокриологическими условиями. В частности, небольшая, требуемая в соответствии с нормами проектирования удаленность месторождений песчаногравийных и галечниковых отложений, используемых для сооружения насьгпей, являлась в ряде случаев главной причиной того, что проектировщики выбирали долинные варианты трассы, на первый взгляд, экономически более рентабельные, в результате они были вынуждены с целью предотвращения негативного воздействия сложных геокриологических условий в реч- пых долинах увеличивать высоту насыпей, вводить дополнительные мероприятия и сооружения по защите земляного полотна от просадок и подтопления. Но последнее не всегда оправдывается, а порой вызывает значительное превышение сметной стоимости строительства за счет неоправданного увеличения объемов земляных работ, затягивания сроков сдачи объектов в эксплуатацию.

Использование только МКФС конечно же не позволит решить эти проблемы. Необходимо своевременное предпроектное тщательное изучение района 'предполагаемого строительства комплексом методов, обеспечивающих необходимую полноту информации о природных условиях, но космическая фотосъемка должна занять в этом комплексе достойное место, и прежде •всего для разработки схем и карт районирования территорий по условиям и сложности предполагаемого строительства, со сравнительной оценкой различных вариантов трасс. При этом МКФС позволяет получать лишь только часть информации, необходимой для инженерно-геокриологического обоснования размещения транспортных сооружений. Остальную информацию, получение которой МКФС -не обеспечивают, можно собрать с использованием других источников: топографических карт, имеющихся региональных опубликованных и фондовых материалов научных и проектно-изыскательских организаций, выполнявших работы ранее в районе предполагаемого строительства. Особенности ландшафтного строения криолитозоны, прямая связь внешних ярусов ландшафтных комплексов с их литогенной основой обусловили эффективность фитоэкзоморфогенного способа дешифрирования МКФС.

Дешифрирование целесообразно локализовать на крупно- и среднемаештабных МКФС в целях последовательного:

выявления природных факторов, определяющих формирование среднегодовых температур толщ пород, типов и глубины сезонного протаива'ния и промерзания;

изучения криогенного строения и льдистости мерзлых пород.

Решение этих задач позволяет обеспечить информационную базу данных для выполнения расчетов мерзлотных характеристик и анализа расчетных данных по формулам и номограммам на основе принятых в геокриологии способов количественной оценки зависимостей температуры мерзлых толщ, типов и глубины сезонного протаи'вания и промерзания от влияния различных природных и техногенных факторов.

К факторам, определяющим (среднегодовую температуру мерзлых толщ, тип и глубину (сезонного оттаивания и промерзания пород и характер их криогенного отроения, относят климатические условия (температурный режим воздуха, снежный пок- ров), рельеф, растительность, поверхностные и подземные воды, состав и свойства пород. При анализе рельефа необходимо привлекать топографи(чеокие карты с целью получения морфометрических показателей для характеристики контуров комплексов, типов и форм рельефа, определяемых по МКФС. Поэтому для геоморфологического дешифрирования информативны средне- и крупномасштабные МКФС.

Совместный анализ топографических карт и МКФС позволяет использовать гео морфологические особенности в качестве индикаторов мерзлотных условий, что на предварительных этапах обеспечивает получение полезной информации, закладываемой в основу легенд карт и схем инженерно-геокриологического районирования территорий. В качестве примера приведем результаты такого анализа для районов Восточного БАМа, выполненного еще в начале 70-х гадов. По результатам комплексной интерпретации крупномасштабных МКФС и топографических карт был установлен -избирательный характер локализации мерзлотных процессов в зависимости от морфогенетической структуры рельефа и крутизны его поверхностей (табл. 19). С использованием такого подхода было осуществлено районирование трассы (тогда еще строящейся БАМ) по особенностям проявления ЭГП с учетом количественных оценок пораженно- сти ими территорий.

Оценку влияния растительного покрова «а формирование и динамику мерзлотных условий целесообразно осуществлять на основе данных о его типе, густоте и термоизоляционных свойствах. Первые получают непосредственно в процессе дешифрирования крупномасштабных МКФС, вторые содержатся в опубликованной литературе.

Для получения информации о характере растительности, динамике ее состояния .под влиянием техногенных факторов целесообразно использовать многозональные МКФС. Экспериментальные исследования по оценке информативности многозональных космических фотоснимков в криолитозоне осуществил А. В. Гаврилов [21]. Им обоснована возможность дифференцированного дешифрирования -растительных сообществ в зависимости от изменчивости цветовой гаммы. В табл. 20 приведены данные этих экспериментов.

В монографии «Южная Якутия» (М., Изд-во МГУ, 1975) ранее 'были установлены индикационные связи растительности с мерзлотными условиями, в частности с изменением температуры горных пород (табл. 21).

В частности, общие особенности в использовании растительного покрова в качестве индикатора мерзлотных условий для юга криолитозоны России заключаются в следующем. Наиболее

благоприятные мерзлотно-грунтовые условия наблюдаются на участках сосновых, лиственнично-сосновых и лиственничных куста-рниковсикустарничковых гвы-ссжобонитетных лесов, являющихся индикаторами сухих территорий, сложенных преимущественно талыми грунтами легкого механического состава (пески, супеси со значительным количеством обломочного материала).

Развитие мхов, особенно сфагновых, сопровождается переживанием древостоя, свидетельствует о присутствии неглубоко залегающих мерзлых пород. Обычно здесь развиты супесчано-суглинистые отложения с повышенным содержанием льда в верхней (2—3 м) части разреза. Худшие мерзлотно-грунтовые условия отмечаются на участках редколеспых сфагновых и кус- тарничково-сфагновых болот (марей). В пределах травяно-моховых обводненных болот распространены преимущественно талые грунты, в верхней части разреза заиленные и оторфован- ные. Дешифрирование многозональных МКФС подтверждает эти зависимости. Многозональные МКФС весьма информативны и при проведении дешифрирования в заболоченных зонах: по тону изображения на снимках в инфракрасной зоне оконтурива-

Таблица 21. Индикационные связи растительности и температуры горных пород

ются участки с преобладанием открытого зеркала воды, на снимках 1в 'красном диапазоне — участки с повышенным увлажнением поверхности.

Одним из основных факторов, определяющих геокриологическую ситуацию в (конкретных условиях, является снежный покров, особенно в тундре, лесотундре, на открытых площадях. Для определения характера изменения высоты и плотности снега необходимо основываться на данных метеостанций. По средне- и крупномасштабным МКФС можно достаточно достоверно определить пространственные границы снежного покрова и их динамику в зависимости от особенностей рельефа, экспозиции и крутизны склонов, сомкнутости растительного покрова.

Оценку состава, влажности и теплофизических свойств пород осуществляют на основе соответствующих расчетов температурной сдвижки по данным режимной геотермии. Природа этой сдвижки связана с изменчивостью теплофизических характеристик отложений слоя сезонного оттаивания и промерзания в талом и мерзлом состоянии. По данным дешифрирования возможно лишь косвенное определение относительных качественных характеристик состава и влажности отложений на основе анализа фитоэкзоморфогенных взаимосвязей в ландшафтах с их внутренним строением.

В качестве литоиндикаторов традиционно выступают различные сочетания рельефа, растительности, рисунка гидрографической сети, что позволяет достоверно определять -границы распространения стратиграфо-генети'ческих .комплексов пород. Для оценки влияния инфильтрации атмосферных осадков на среднегодовую температуру мерзлых толщ, глубину сезонного 'промерзания и оттаивания в качестве индикаторов эффективно использование данных о морфографии рельефа, уклонах его поверхностей и их площадях в сочетании с информацией о густоте растительного покрова, что позволяет сделать выводы о соотношении инфильтрации и поверхностного стока.

Выявление и оценку роли различных природных факторов в формировании мерзлотных условий необходимо рассматривать в качестве первого этапа геокриологического дешифрирования МКФС. Универсальных схем соотношения этих факторов в формировании температурного режима мерзлых толщ не существует. В каждом регионе в зависимости от конкретных ландшафтно-климатических и геологических факторов формируется их специфический индивидуальный комплекс. Например, в тундре ведущим факторам формирования геокриологической ситуации является снежный покров. Поэтому индикаторы его пространственных параметров и плотности, определяемые по геоморфологическим признакам, экспозиции склонов по отношению к господствующим направлениям метеленосных ветров, высоте и сомкнутости растительного 'покрова, одновременно являются и ин-

Дикаторами многолётнемерзлых пород и Таликов и их температурного режима [21, 46].

В лесотундре наиболее ©ажно сочетание снежного покрова, поверхностных ©од, состава, влажности и воднофильтрационных свойств пород.

В лесной зоне ведущими факторами формирования геокриологической обстановки являются состав и свойства горных пород.

В этих природных комплексах дешифрирование МКФС осуществляют по принципам фитоэкзоморфогенного анализа и локализуют его 'на поиске индикационных связей между сочетаниями рельефа и растительности, образующими внешние ярусы элементарных ландшафтов — фаций, урочищ, типов местности с составом и свойствами горных пород и залегающими в них подземными водами, и развивающимися природными и техногенными процессами.

Несколько иначе строится геокриологическое дешифрирование МКФС в горных массивах и плато южной части криолито- зоны. Здесь геокриологическую обстановку формируют абсолютные высоты местности, особенности морфоструктуры и экзо- геодинамики рельефа, экспозиция и крутизна склонов, состав и свойства пород, © том числе их трещиноватость и тектоническая раздробленность. На развитие мерзлотных процессов и динамику температурного режима оказывают большее влияние структурно-геологические и геоморфологические, чем ландшафтные факторы (табл. 22). Примеры этого уже приводились на рис. 14, 15, 42—46. В них обосновано, что индикационную роль играют также особенности пространственной локализации форм проявления ЭПП и их комплексы. Одни из них связаны с составом и обводненностью коренных пород и зонами тектонических разломов, другие — с мерзлотно-литологическими особенностями поверхностных отложений. Поэтому выделению на МКФС куру- мов, наледей, термокарстовых озер и котловин, термоэрозионных форм, заболоченных участков и оценке особенностей пространственной локализации участков их распространения следует уделять большое внимание. Дешифрирование МКФС в этих регионах целесообразно осуществлять на основе комплексного космофотоиндикационного анализа с применением всех трех способов: эндо-, экзо- и фитоэкзоморфогенпого при ведущем значении второго.

В зонах строительства важную информацию о геокриологических условиях можно получить путем анализа техногенного воздействия на природную среду, в частности грунтовых дорог, следов вездеходов, дренажных сооружений и др. Конфигурацию этих линейных объектов, их рисунок на МКФС можно в ряде случаев рассматривать в качестве литоиндикаторов. Например, резко выраженный прямолинейный характер дорожной колеи характерен для грунтов с хорошими инфильтрационными свойствами, в частности для песков. Дороги, проложенные в суглини*

стых и глинистых грунтах, как правило, с расплывчатыми или размытыми границами, с большим (количеством параллельных следов и объездов. При анализе МКФС в целях изучения криогенного строения и льдистости мерзлых толщ основываются на следующих положениях. Криогенные образования, многие из 'которых могут быть выделены на МКФС, относятся к проявлениям в ландшафтах особенностей строения мерзлых толщ и льдистости пород. Для выявления типов подземного льда и общей оценки макрольдие- тости необходим анализ конфигурации, размеров, цвета (тона) изображения наиболее физиономичных геокриологических образований. К ним относят крупные термокарстовые озера и котловины (например, связанные с вытаиванием пластовых или мощных повторно-жильных льдов, резкие термоэрозионные формы, курумы, полигональный рельеф, бугристые торфяники, со- лифлюкционные образования и др.). Иными словами, крупные формы проявления мерзлотных процессов, отражаемые на МКФС, могут рассматриваться в качестве индикаторов особенностей строения мерзлых пород. Этот аспект реализуется экзо- морфогенным способом анализа МКФС. Криогенное строение и льдистость пород связаны с рядом факторов. Часть из них находит то или иное отражение на МКФС, часть не дешифрируется. К дешифрируемым на косм и-

Рис. 73. Фрагмент карты мерзлотных условий, составленной по данным дешифрирования снимка на рис. 72 (по А. В. Гаврилову) [условные обозначения даны в табл. 23]

alt="" />

Рис. 74. Фрагмент карты мерзлотно-инженерно-геологических условий района строительства железной дороги Ягельная—Ямбург (составлена совместно с Ан. П. Бгатовым):

че-ских снимках факторам относятся состав и генезис поверхностных отложений, характер их обводненности, элементы новейшей тектоники, в том числе зоны разломов различного порядка. Недешифрируемые факторы объединяют в себе тип многолетнего промерзания пород (син- или эпигенетический), уровень теплообмена на поверхности Земли, геологическую историю района, возраст пород (для эпигенетических мерзлых толщ), их засоленность. Однако для достоверной интерпретации выделяемых на МКФС контуров отложений необходимо использование данных обеих групп факторов. Поэтому без проведения наземных геокриологических исследований действенность дешифрирования ослабевает, а достоверность его, естественно, снижается. Именно поэтому дешифрирование МКФ'С, как и во всех случаях его применения при изысканиях для транспортного (и любого другого) строительства, осуществляется в опережающем порядке с последующим выполнением комплекса наземных исследований в соответствии с рис. 36.

Применение вышеизложенных методических приемов иллюстрируется на примере представленных фрагментов карт мерзлотных условий ряда районов криолитозоны.

На рис. 72 (см. на цветной вклейке) приведен космический снимок центральной Якутии, полученный при съемке с ПКК «Союз-22». А. В. Гавриловым осуществлены его дешифрирование, увязка дешифровочных данных с результатами термометрии в скважинах [20, 21] и составлена карта на основе индикационного анализа полученных данных (рис. 73, табл. 23).

/ — IV морская терраса с абсолютными высотами 50—70 м, сложенная супесчано-суглинистыми отложениями I и II категорий просадочности (а — с плоской поверхностью с хасыреями; б — с холмисто-увалистым рельефом; в — с сильно расчлененным холмистым рельефом; г — со слабо расчлененным холмистым рельефом); 2 — III морская терраса с абсолютными высотами 30—45 м, сложенная супесчано-суглинистыми отложениями II и III категорий просадочности (а — с пологоволнистой слабо расчлененной поверхностью с полигонами; б — с плоской заболоченной поверхностью с хасыреями и буграми пучения; в — с холмисто-увалистым рельефом; г — с грядовым рельефом); 3 — II прибрежно-морская терраса с абсолютными высотами 15—22 м, сложенная суглинистыми и глинистыми отложениями III и IV категорий просадочности; 4 — плоские глинистое лайды с абсолютными высотами до 7 м. с грунтами III и IV категорий просадочности; 5 — морской пляж, сложенный песчаными и супесчаными отложениями I и II категорий просадочности; 6 — IV озерно-аллювиальная терраса с абсолютными высотами 40—70 м, сложенная суглинистыми слабо оторфованными отложениями I и II категорий просадочности; 7 — III озерно-аллювиальная терраса с абсолютными высотами 25—40 м, сложенная суглинистыми оторфованными отложениями III и IV категорий просадочности (а — с пологоволнистым западинным рельефом; б — со слабо расчлененным рельефом с песчаными раздувами; в — с заболоченной поверхностью); 8 — низкие озерные террасы с абсолютными высотами до 2 м, сложенные супесчаными сильно оторфованными отложениями II—IV категорий просадочности; 9 — I надпойменная терраса, сложенная суглинистыми и илистыми отложениями III и IV категорий просадочности; 10 — высокая пойма, выработанная в илистых, торфянистых отложениях IV категории просадочности; 11 — низкая пойма, выработанная в суглинисто-супесчаных оторфованных отложениях IV категории просадочности; 12 — склоны эрозионных долин, выработанные в делюви- ально-солифлюкционных суглинистых отложениях II и III категорий просадочности (а — простые; б — с фрагментами пойм; в — с фрагментами террас); 13 — сильно- расчлененные склоны аккумулятивных долин, выработанные в аллювиальных супесчаных отложениях II и III категорий просадочности; 14 — склоны крупных озорных котловин, выработанные в оторфованных отложениях IV категории просадочности; 15 — хасыреи; 16 — полигонально-жильные льды; 17 крупные термоэрозионные врезы:              18 — песчаные раздувы; 19 — тектонические разломы, активизирующие мерзлот

ные процессы; 20 — положение трассы строящейся железной дороги; 21 — озера

На рис. 74 приведен фрагмент карты мерзлотно-инженерногеологических условий района строительства железной дороги Ягельная—Ямбург, составленной по данным дешифрирования среднемасштаблых МКФС.

На обоих рисунках прослеживаются криолитоиндикационные связи, выражающиеся либо через рельеф, либо через те или иные комбинации рельефа и растительности. Причем сочетание экзоморфогенного и фитоэкзоморфогенного способов дешифрирования обеспечивает больший объем информации о криогенном строении горных пород, чем только экзоморфогенный.

Результаты рассмотренных исследований были использованы в 1982—1983 гг. проектно-изыскательскими институтами при разработке технико-экономического обоснования (ТЭО) строительства ряда новых железных и автомобильных дорог: Моегии- ротрансом для разработки ТЭО строительства железной дороги Беркакит—Томмот, Союздо1рпроектом — для разработки ТЭО строительства автомобильной дороги Токсимо—Бодайбо— Ленек, а позднее, в 1987—1990 гг., Сибгипротранеом — при разработке ТЭО строительства железной дороги Уоян—Могзон и Иркутскгипротрансом — при разработке ТЭО строительства железной дороги Усть-Кут—Киренск—Непа.