Подземный лед

Подземный лед— это важнейший компонент вечной мерзлоты. Отрицательная температура создает условия для возникновения льда в грунтах.

Присутствие льда в мерзлой толще кардинально меняет ее свойства по сравнению с исходным, не мерзлым грунтом. В то же время большие массивы скальных грунтов или грунтов, насыщенных достаточно концентрированными растворами, могут иметь отрицательную температуру и при этом совсем не содержать льда. Подобные толщи получили название морозных, в отличие от мерзлых, т. е. содержащих лед. Количество льда в вечномерзлых толщах разного типа неодинаково. Его содержание изменяется от долей процента, а в некоторых горизонтах и до 100%.

Вечная мерзлота равнин и горных впадин, где промерзли толщи рыхлых грунтов, отличается более сложным распределением льда, значительным содержанием разных типов подземного льда по сравнению с горными массивами и хребтами.

Подземные льды очень разнообразны. Наиболее распространены лед-цемент и сегрегационный лед.

Лед-цемент — это мелкие, чаще всего не видимые глазом кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки в грунте. Образуется в результате замерзания воды и сублимации водяного пара в порах и капиллярах, существующих в грунте. Этот вид льда потому и называется цементом, что он как бы цементирует отдельные минеральные частицы в единую монолитную массу мерзлой толщи.

Подземный лед

Сегрегационные льды образуются при промерзании влажных глинистых грунтов. В этом случае грунтовая масса разделяется на ледяные линзочки, прослои, прожилки (ледяные шлиры) и прослои глинистого грунта, сцементированного отдельными кристаллами льда. При формировании сегрегационных льдов происходит перемещение воды из глубоких слоев грунта к фронту промерзания. Таким образом, мерзлый грунт обогащается льдом. В зависимости от темпов промерзания, влажности, типа фунта может сильно меняться форма и толщина ледяных шлиров — тонких слоев льда — от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

При промерзании массивов твердых коренных пород лед образуется за счет воды, циркулирующей по тектоническим и иным трещинам, а также водяного пара, который, сублимируясь на холодных стенках трещин, создает ледяные щеточки.

Крупные включения подземного льда наиболее интересны для исследователей. Особое внимание привлекают огромные вертикальные жилы и горизонтальные пласты льда. Жильные льды встречаются на Яно-Индигирской, Колымской, Центрально-Якутской низменностях. Этот вид льда залегает в мерзлой толще в виде вертикальных жил или клиньев шириной до 7 — 8 м. Ледяные жилы создают решетчатый каркас, образовавшийся в результате пересечения двух взаимно перпендикулярных рядов жил. Ледяные жилы могут достигать 10 — 20 м и даже более.

Как же возникают такие льды?

Зимой, когда полностью промерзает слой летнего оттаивания, мерзлота образует сплошной монолит, простирающийся  в глубь поверхности на многие метры. В области вечной мерзлоты при сильных морозах происходит охлаждение массивов мерзлых толщ. Они испытывают своеобразный тепловой удар и растрескиваются на поверхности. Трещины называются морозобойными. И действительно, образование трещин сопровождается сильным шумом.

Морозобойные трещины образуют в плане геометрически правильную, тетрагональную или гексагональную сеть, что объясняется закономерным распределением напряжений в мерзлых фунтах при их охлаждении. Морозобойные трещины не только рассекают поверхность почв, но и проникают в глубину на 5 — 6 м. Весной, когда верхние слои грунта оттаивают, в трещины затекает талая вода, которая, просачиваясь вниз, замерзает при соприкосновении с мерзлыми стенками трещины. Так возникает элементарный ледяной клин. Высота его, считая от подошвы слоя летнего оттаивания, составляет несколько метров, а ширина всего 1 — 3 см.

Морозобойные трещины обладают одним замечательным свойством — постоянством места своего возникновения. Из-за того, что лед имеет меньшую прочность на разрыв, чем мерзлый грунт, морозобойные трещины из года в год образуются на одном и том же месте. Поэтому этот тип подземного льда был назван повторно-жильным. Ледяной клин растет в ширину и за столетие может достигнуть 2 — 3-метровой ширины. Но, пожалуй, самое удивительное в том, что ледяные клинья растут не только вширь, но и в высоту. В это трудно поверить. Многих исследователей ставили в тупик реально существующие жилы льда вертикальной протяженностью в несколько десятков метров, тогда как теоретически максимально возможное морозобойное растрескивание не может быть больше 10 — 12 м, а обычно оно равно 5 — 6 м.

Подземный лед

Объяснение этому явлению нашел российский географ-мерзлотовед А. И. Попов. Он выдвинул концепцию синхронного роста жил и осадконакопления, которое повышает поверхность Земли. В результате жилы льда растут вверх. Подобное сочетание морозобойного растрескивания, роста жил и осадконакопления существует в природе и сейчас на поймах северных рек — Яны, Лены, Колымы и других, а также у подножий склонов, где скапливаются современные речные и склоновые отложения.

Происхождение мощных повторно-жильных льдов, широко распространенных на севере Восточной Сибири и Новосибирских островах, вызвало оживленную дискуссию ученых, которая продолжалась с конца XIX и до середины 50-х гг. XX столетия. В ней можно обнаружить немало драматических страниц и интересных сюжетов. В конце XIX и до середины XX в. в научной среде бытовало мнение, что льды — это погребенные остатки древних ледников. И только в 1952 г., когда была разработана концепция роста повторно-жильных льдов, такая точка зрения была пересмотрена. Любопытно, что еще в 1820 — 1823 гг. участвовавший в экспедиции Гидрографического департамента на побережье моря Лаптевых и Новосибирских островах медик А. Е. Фигурин исследовал многочисленные обнажения залежей подземных льдов по берегам рек и отнес их к повторно-жильным. Подобное заключение ему, безусловно, помогли сделать наблюдения за формированием морозобойных трещин. Но значительная вертикальная протяженность повторно-жильных льдов А. Е. Фигуриным не объяснялась.

Самые же крупные включения льда в толще вечной мерзлоты — это так называемые пластовые льды. Они представляют собой преимущественно горизонтально ориентированные пласты льда, простирающиеся на многие сотни метров. Их вертикальная мощность колеблется от нескольких метров до десятков и более. Пластовый лед встречается, как правило, в верхних горизонтах мерзлых толщ (до 40 — 50 м), но известны пластовые льды и на больших глубинах — до 100 — 150 м. Пластовые льды широко распространены на севере Западной Сибири, на Чукотке, северо-западе Канады и на Аляске. В некоторых случаях они имеют горизонтальную слоистость, иногда пластовые льды сильно деформированы, смяты в складки, так же как и вмещающие их мерзлые фунты. В ряде случаев пластовые льды залегают в виде крупных наклонных слоев. Лед пластовых льдов либо чистый, без включений, либо содержит небольшие слои мерзлых суглинков, песка, валунов. Среди мерзлотоведов нет единства в понимании происхождения крупных пластов льда, заключенных в мерзлых толщах. Собственно само наличие пластовых льдов таких больших размеров и их широкое распространение в упомянутых районах установлены относительно недавно — в конце 60 — начале 70-х гг. XX столетия.

Проблема происхождения пластовых льдов еще далека от решения, так как ученые-мерзловеды не имеют единого взгляда на природу этого удивительного феномена.