Мәңгілік мұздатылған топырақтар: таралу аймақтары, температурасы, даму ерекшеліктері

2024 Автор: Henry Conors | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-02-12 09:47

Осы мақаладан сіз мәңгі тоң аймақтарында жиі кездесетін мәңгі тоң топырақтарының ерекшеліктерімен танысасыз. Геологияда мәңгі тоң екі немесе одан да көп жыл бойы 0 °C немесе одан төмен қату температурасында болатын тасты (криотикалық) топырақты қоса алғанда, құрлық болып табылады. Мәңгілік мұздың көп бөлігі жоғары ендіктерде (Арктика және Антарктика аймақтарында және айналасында) орналасқан, бірақ, мысалы, Альпі тауларында ол жоғары биіктікте кездеседі.

Жер мұзы кеуекті емес негізгі жыныстардағыдай әрқашан бола бермейді, бірақ ол көбінесе жер асты материалының потенциалды гидравликалық қанығуынан асатын мөлшерде кездеседі. Мәңгілік тоң жердегі жалпы судың 0,022% құрайды және Солтүстік жарты шардағы ашық жерлердің 24% құрайды. Ол Солтүстік Мұзды мұхитты қоршап тұрған материктердің континенттік қайраңдарында су астында да кездеседі. Ғалымдардың бір тобының пікірінше, жаһандық температура ағымдағы деңгейден 1,5 °C (2,7 °F) жоғары.деңгейі Сібірдегі мәңгі тоңды ерітуге жеткілікті болады.

Оқу

Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін Солтүстік Америкадағы мұздатылған топырақтар туралы есептердің салыстырмалы аздығынан айырмашылығы, мәңгі мұздың инженерлік аспектілері туралы әдебиеттер орыс тілінде қол жетімді болды. 1942 жылдан бастап Саймон Уильям Мюллер үкіметке 1943 жылға қарай мәңгі тоң туралы инженерлік нұсқаулық пен техникалық есеп беру үшін Конгресс кітапханасы мен Америка Құрама Штаттарының Геологиялық қызметінің кітапханасында сақталған тиісті әдебиеттерді зерттеді.

Анықтама

Мәңгілік тоң – екі жылдан астам қатарынан қатып қалған топырақ, тау жыныстары немесе шөгінділер. Мұз жамылғысы жоқ жерлерде олар жыл сайын қатып, еритін топырақтың, тау жыныстарының немесе шөгінділердің қабатының астында болады және «белсенді қабат» деп аталады. Іс жүзінде бұл мәңгілік мұздың орташа жылдық температура -2 °C (28,4 °F) немесе одан төмен болғанын білдіреді. Белсенді қабаттың қалыңдығы жыл мезгіліне байланысты өзгереді, бірақ 0,3-тен 4 метрге дейін (Арктика жағалауында таяз; Оңтүстік Сібір мен Цинхай-Тибет үстіртінде терең).

География

Мәңгілік мұздың таралуы ше? Мәңгілік тоңның көлемі климатқа байланысты өзгереді: бүгінде Солтүстік жарты шарда мұзсыз жер аумағының 24% - 19 миллион шаршы километрге тең - мәңгілік тоң азды-көпті зардап шегеді.

Бұл аумақтың жартысынан көбі үздіксіз мәңгі тоңмен жабылған,шамамен 20 пайызы үзіліссіз мәңгі тоң және 30 пайыздан азы біркелкі мәңгі тоң болып табылады. Бұл аумақтың көп бөлігі Сібірде, Канаданың солтүстігінде, Аляскада және Гренландияда орналасқан. Белсенді қабаттың астында мәңгілік тоң температурасының жылдық ауытқуы тереңдікке қарай азаяды. Мәңгілік мұздың ең терең тереңдігі геотермиялық жылу мұздатудан жоғары температураны сақтайтын жерде пайда болады. Бұл шектен жоғары температура жыл сайын өзгермейтін мәңгі тоң болуы мүмкін. Бұл «изотермиялық мәңгі тоң». Мәңгілік тоң топырақты аймақтар адамның белсенді өмір сүруіне нашар қолайлы.

Климат

Мәңгілік тоң әдетте ауаның орташа жылдық температурасы судың қату нүктесінен төмен кез келген климатта қалыптасады. Ерекшеліктерді Солтүстік Скандинавияда және Оралдың батысындағы Ресейдің солтүстік-шығысында қар оқшаулағыш жабын ретінде әрекет ететін ылғалды қысқы климатта табуға болады. Мұздық аймақтар ерекшелік болуы мүмкін. Барлық мұздықтардың түбінде геотермиялық жылумен қызатындықтан, қысымды балқу температурасына жақын орналасқан қалыпты мұздықтардың құрлықпен шекарасында сұйық су болуы мүмкін. Сондықтан олар мәңгі тоңдардан таза. Плейстоцен кезінде терең мәңгі тоң пайда болған аумақтардағы геотермиялық градиенттегі «қазбалы» суық аномалиялар бірнеше жүз метрге дейін сақталады. Бұл Солтүстік Америка мен Еуропадағы ұңғыманың температурасын өлшеуден көрінеді.

Жер астындағы температура

Әдетте жер астындағы температура маусымнан маусымға қарағанда өзгередіауа температурасы. Сонымен бірге орташа жылдық температура жер қыртысының геотермиялық градиентінің нәтижесінде тереңдікке қарай жоғарылау үрдісі бар. Осылайша, егер ауаның орташа жылдық температурасы 0 °C (32 °F) шамасынан сәл ғана төмен болса, мәңгі тоң тек қорғалатын жерлерде – әдетте солтүстік жағында – үзіліссіз мәңгі тоңды тудыратын жерлерде ғана қалыптасады. Әдетте, топырақ бетінің орташа жылдық температурасы -5-тен 0°C-қа дейін (23-32°F) болатын климатта мәңгі тоңдар үзіліссіз болып қалады. Жоғарыда айтылған қысы ылғалды аймақтарда -2 °C (28 °F) дейін үзік-үзік мәңгі тоң болмауы мүмкін.

Мәңгілік мұздың түрлері

Мәңгілік мұз ландшафттың 50-ден 90%-ға дейінгі бөлігін алып жатқан және әдетте жылдық орташа температурасы -2-ден -4 °C (28-25 °F) аралығында болатын аумақтарда болатын кең көлемді үзіліссіз мәңгі тоңдарға бөлінеді., және мәңгі тоң ландшафттың 50 пайызынан азын алып жатқан және әдетте 0 және -2 °C (32 және 28 °F) арасындағы орташа жылдық температурада пайда болатын спорадикалық мәңгі тоң. Топырақтануда спорадикалық мәңгі тоң аймағы СҚА болса, экстенсивті үзіліссіз мәңгі тоң аймағы қашықтықтан зондтау аймағы болып табылады. Ерекше жағдайлар сырланбаған Сібір мен Аляскада орын алады, мұнда мәңгілік мұздың қазіргі тереңдігі мұз дәуіріндегі климаттық жағдайлардың қалдығы болып табылады, мұнда қыстар бүгінгіден 11 °C (20 °F) суық болды.

Мәңгілік мұз температурасы

Топырақ бетінің орташа жылдық температурасы -5 °C (23 °F) төмен болған кезде аспектінің әсерімәңгі тоңды еріту және үздіксіз мәңгі тоң аймағын (қысқаша CPZ) қалыптастыру үшін ешқашан жеткіліксіз. Солтүстік жарты шардағы үздіксіз мәңгі тоңдар сызығы жер үздіксіз мәңгілік мұзбен немесе мұздық мұзбен жабылған ең оңтүстік шекараны білдіреді.

Анық себептерге байланысты мәңгі мұзда дизайн жасау өте қиын тапсырма. Үздіксіз мәңгі тоң сызығы аймақтық климаттың өзгеруіне байланысты бүкіл әлем бойынша солтүстікке немесе оңтүстікке өзгереді. Оңтүстік жарты шарда, егер құрлық болса, эквивалентті сызықтың көп бөлігі Оңтүстік мұхитта болар еді. Антарктика материгінің көп бөлігін мұздықтар алып жатыр, олардың астында жер бедерінің көп бөлігі жер бетінде еріп кетеді. Антарктиданың ашық жері негізінен мәңгі тоң болып табылады.

Альпі

Альпі тауларындағы мәңгі тоң аймағының жалпы ауданын бағалау әр түрлі. Бокхайм мен Мунро үш дереккөзді біріктіріп, аймақтар бойынша кестелік бағалаулар жасады (барлығы 3 560 000 км2).

Андтағы альпілік мәңгі тоң картада жоқ. Бұл жағдайда мөлшер осы аумақтардағы судың мөлшерін бағалау үшін модельденеді. 2009 жылы аляскалық зерттеуші Африканың ең биік шыңы, экватордан шамамен 3° солтүстікке қарай орналасқан Килиманджаро тауында 4700 м (15400 фут) биіктікте мәңгі тоңды тапты. Бұл ендіктердегі мәңгі тоң топырақтардағы іргетастар сирек емес.

Мұздатылған теңіздер мен мұздатылған түбі

Теңіздегі мәңгі тоң теңіз түбінің астында болады және полярлық континенттік қайраңдарда кездеседі.аймақтар. Бұл аумақтар жердегі судың көп бөлігі құрлықтағы мұз қабаттарымен жабылған және теңіз деңгейі төмен болған соңғы мұз дәуірінде пайда болды. Мұз қабаттары еріп, қайтадан теңіз суына айналғанда, жер бетіндегі мәңгі тоңмен салыстырғанда салыстырмалы түрде жылы және тұзды шекаралық жағдайларда мәңгі тоң су астындағы қайраңдарға айналды. Сондықтан су астындағы мәңгі тоңдар оның азаюына әкелетін жағдайларда бар. Остеркамптың пікірінше, су асты мәңгі тоңы «жағалау объектілерін, теңіз түбі құрылымдарын, жасанды аралдарды, су асты құбырларын және барлау және өндіру үшін бұрғыланған ұңғымаларды жобалау, салу және пайдаланудағы фактор болып табылады.

Мәңгілік тоң жердің геотермиялық жылуы және орташа жылдық бет температурасы 0 °C тепе-теңдік температурасына жететін негіздің тереңдігіне дейін созылады. Мәңгілік мұз негізінің тереңдігі Сібірдегі Лена және Яна өзендерінің солтүстік бассейндерінде 1493 метрге (4898 фут) жетеді. Геотермиялық градиент – жердің ішкі бөлігіндегі тереңдіктің ұлғаюына қатысты температураның жоғарылау жылдамдығы. Тектоникалық плитаның шекарасынан алшақ, дүние жүзінің көптеген елдерінде жер бетіне жақын шамамен 25-30 °С/км. Ол геологиялық материалдың жылу өткізгіштігіне байланысты өзгереді және топырақтағы мәңгі тоң үшін негізгі тау жыныстарына қарағанда азырақ.

Топырақтағы мұз

Мәңгілік мұздың мұздылығы 250 пайыздан асқанда (мұз массасынан құрғақ топыраққа дейін) ол келесідей жіктеледі:массивті мұз. Жаппай мұз денелерінің құрамы мұзды балшықтан таза мұзға дейін болуы мүмкін. Жаппай мұз қабаттарының қалыңдығы кемінде 2 метр, қысқа диаметрі кемінде 10 метр. Солтүстік Америкадағы алғашқы жазбаларды 1919 жылы Аляскадағы Каннинг өзенінде еуропалық ғалымдар жасаған. Орыс әдебиетінде П. Лассиниус пен Х. П. Лаптевтің Ұлы Солтүстік экспедициясы кезінде сәйкесінше 1735 және 1739 жылдар ертерек берілген. Жаппай жер үсті мұзының екі категориясы жер үсті мұзы және «қойма ішіндегі мұз» деп аталады. Мәңгілік мұзда кез келген іргетас жасау үшін жақын жерде үлкен мұздықтардың болмауы қажет.

Көмілген жер бетіндегі мұз қардан, қатқан көлден немесе теңіз мұзынан, ауфейден (өзен мұзы) пайда болуы мүмкін және ең көп таралған нұсқасы көмілген мұздық мұз болуы мүмкін.

Жер асты суларының қатуы

Жер асты суларының қатуы нәтижесінде аралық мұз пайда болады. Мұнда ылғалды жауын-шашынның қатуы кезінде пайда болатын кристалдану дифференциациясының нәтижесінде пайда болатын сегрегациялық мұз басым болады. Процесс судың қату фронтына өтуімен бірге жүреді.

Интрадиестимальды (конституциялық) мұз бүкіл Канадада кеңінен байқалды және зерттелді, сонымен қатар интрузивті және инъекциялық мұзды қамтиды. Сонымен қатар, мұз сыналары, жер мұзының жеке түрі, танылатын өрнекті көпбұрыштарды немесе тундра полигондарын жасайды. Мұз сыналары бұрыннан бар геологиялық жағдайда қалыптасадысубстрат. Олар алғаш рет 1919 жылы сипатталған.

Көміртегі айналымы

Мәңгілік мұздың көміртегі айналымы мәңгі тоң топырақтарынан жердегі өсімдіктер мен микробтарға, атмосфераға, қайтадан өсімдіктерге және ең соңында криогендік процестер арқылы көму және жауын-шашын арқылы мәңгі тоң топыраққа көшумен байланысты. Бұл көміртектің бір бөлігі жаһандық көміртегі айналымы арқылы мұхитқа және жер шарының басқа бөліктеріне тасымалданады. Цикл жердегі құрамдас бөліктер мен атмосфера арасындағы көмірқышқыл газы мен метанның алмасуын және көміртегінің жер мен су арасында метан, еріген органикалық көміртегі, еріген бейорганикалық көміртегі, бейорганикалық көміртегі және органикалық көміртек бөлшектері түрінде тасымалдануын қамтиды..

Тарих

Арктиканың мәңгі тоңы ғасырлар бойы қысқарып келеді. Мұның салдары - әлсіреуі мүмкін топырақтың еруі және кері байланыс циклінде жаһандық жылыну жылдамдығының артуына ықпал ететін метанның бөлінуі. Мәңгілік тоң топырақтарының таралу аймақтары тарихта үнемі өзгеріп отырады.

Соңғы мұздық максимумында үздіксіз мәңгі тоң бүгінгіден әлдеқайда үлкен аумақты қамтыды. Солтүстік Америкада Айованың оңтүстігінде және Миссуридің солтүстігінде Нью-Джерси ендік мұз қабатының оңтүстігінде мәңгілік мұздың өте тар белдеуі ғана болды. Ол Айдахо мен Орегонның оңтүстік шекарасына дейін созылған құрғақ батыс аймақтарда кең болды. Оңтүстік жарты шарда бұрынғы мәңгіліктің кейбір дәлелдері барОрталық Отагодағы және Аргентиналық Патагониядағы осы кезеңнің мәңгі тоңы, бірақ ол үзіліссіз және тундрамен байланысты болуы мүмкін. Альпі мәңгі тоңы Дракенсбергте 3000 метрден (9840 фут) жоғары мұздықтар болған кезде де пайда болды. Соған қарамастан, мәңгі мұзда іргетас пен іргетас сол жерде де салынуда.

Топырақ құрылымы

Топырақ көптеген субстрат материалдарынан, соның ішінде негізгі жыныстардан, шөгінділерден, органикалық заттардан, судан немесе мұздан тұруы мүмкін. Мұздатылған жер - бұл субстратта судың бар-жоғына қарамастан, судың қату нүктесінен төмен кез келген нәрсе. Кеуекті емес негіздік жыныстардағыдай жер асты мұзы әрқашан бола бермейді, бірақ ол жиі кездеседі және еріген субстраттың әлеуетті гидравликалық қанығуынан асатын мөлшерде болуы мүмкін.

Нәтижесінде жауын-шашын көбейіп барады, бұл өз кезегінде Ресейдің солтүстігіндегі Норильск сияқты мәңгі тоң аймақта орналасқан аудандарда ғимараттарды әлсіретіп, құлауы мүмкін.

Көлбеу қирауы

Өткен жүзжылдықта дүние жүзіндегі тау жоталарында альпі беткейлерінің бұзылу жағдайлары көп тіркелді. Құрылымдық зақымның үлкен көлемі климаттың өзгеруінен туындаған деп есептелетін мәңгі тоңдардың еруімен байланысты болады деп күтілуде. Мәңгілік тоңдардың еруі 1987 жылы итальяндық Альпі тауларында 22 адамның өмірін қиған Валь-Пола көшкініне ықпал етті деген болжам бар. Тау жоталарында үлкенқұрылымдық тұрақтылықтың бір бөлігі мұздықтар мен мәңгі тоңдарға байланысты болуы мүмкін. Климат жылынған сайын мәңгі тоң ериді, бұл тау құрылымының тұрақтылығының төмендеуіне және сайып келгенде, беткейлердің бұзылуына әкеледі. Температураның жоғарылауы белсенді қабаттың тереңдеуіне мүмкіндік береді, бұл судың одан да көп енуіне әкеледі. Топырақтағы мұз еріп, топырақтың беріктігін жоғалтады, қозғалысты жылдамдатады және ықтимал қоқыс ағындарын тудырады. Сондықтан мәңгі мұзда құрылыс салу өте қажет емес.

Тау жыныстары мен мұздың жаппай құлауы (11,8 миллион м³), жер сілкінісі (3,9 миллион мильге дейін), су тасқыны (7, дейін) туралы ақпарат бар. 8 миллион м³ су) және тасты мұздың жылдам ағыны. Бұл биік таулы аймақтардағы мәңгі тоң жағдайында «еңістің тұрақсыздығынан» туындайды. Мәңгілік мұздың жылыну кезіндегі мұздауға жақын жоғары температурадағы еңістің тұрақсыздығы осы топырақтардағы тиімді кернеумен және кеуекті су қысымының жоғарылауымен байланысты.

Мәңгілік мұзды топырақтарды игеру

Джейсон Кеа және бірлескен авторлар мәңгілік мұздың жылынуы сияқты ішінара мұздатылған топырақтағы кеуек суының қысымын өлшеу үшін жаңа сүзгісіз қатты пьезометрді (FRP) ойлап тапты. Олар жылынатын мәңгі тоң беткейлерінің еңіс тұрақтылығын талдауда пайдалану үшін жартылай мұздатылған топырақтарға тиімді кернеу тұжырымдамасын қолдануды кеңейтті. Тиімді кернеу тұжырымдамасын қолдану көптеген артықшылықтарға ие, мысалы, негіздер мен іргетастарды құру мүмкіндігімәңгі тоң топырақтар.

Органикалық

Солтүстік полярлық аймақта мәңгі мұзда 1700 миллиард тонна органикалық материал бар, бұл барлық органикалық заттардың жартысына жуығы. Бұл бассейн мыңдаған жылдар бойы құрылған және Арктиканың суық жағдайында баяу жойылуда. Мәңгілік мұзда секвестрленген көміртегінің мөлшері қазіргі заманда адам әрекетінен атмосфераға шығарылатын көміртегінің мөлшерінен төрт есе көп.

Салдарлар

Мәңгілік мұздың пайда болуы, ең алдымен, тамыр аймақтарына қойылған шектеулерге, сондай-ақ жер асты үйлерін қажет ететін фаунаға арналған шұңқырлар мен шұңқырлардың геометриясына қойылған шектеулерге байланысты, экологиялық жүйелерге айтарлықтай әсер етеді. Екіншілік әсерлер тіршілік ету ортасы мәңгі тоңмен шектелген өсімдіктер мен жануарларға тәуелді түрлерге әсер етеді. Ең жиі кездесетін мысалдардың бірі - мәңгі тоңның кең аумақтарында қара шыршаның таралуы, өйткені бұл түр жер бетінде шектелген өсімдіктерге шыдай алады.

Мәңгілік тоң топырақты есептеулер кейде органикалық материалды талдау үшін жасалады. Белсенді қабаттағы бір грамм топырақта бір миллиардтан астам бактерия жасушалары болуы мүмкін. Бір-бірін бойлай орналастырған кезде белсенді қабаттың бір килограмм топырағының бактериялары ұзындығы 1000 км тізбек құрайды. Мәңгілік тоң топырақтағы бактериялардың саны әр түрлі болады, әдетте бір грамм топырақта 1 миллионнан 1000 миллионға дейін. Бұлардың көпшілігіМәңгілік тоң топырақтағы бактериялар мен саңырауқұлақтарды зертханада өсіру мүмкін емес, бірақ микроорганизмдердің идентификациясын ДНҚ негізіндегі әдістер арқылы анықтауға болады.

Арктика аймағы және жаһандық жылыну

Арктика аймағы метан парниктік газдарының табиғи көздерінің бірі болып табылады. Жаһандық жылыну оның шығарылуын жеделдетуде. Метанның көп мөлшері Арктикада табиғи газ кен орындарында, мәңгі мұзда және су астындағы клатраттар түрінде сақталады. Метанның басқа көздеріне суасты қайықтары, өзен көлігі, мұз кешенінің шегінуі, су астындағы мәңгі тоң және ыдырайтын газ гидрат кен орындары жатады. Алдын ала компьютерлік талдаулар мәңгі тоңдар адам іс-әрекетінен бүгінгі күнгі шығарындылардың шамамен 15 пайызына тең көміртекті шығара алатынын көрсетеді. Топырақ массивтерінің жылынуы мен еруі мәңгі тоңда құрылысты одан да қауіпті етеді.