Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Природа овражной термоэрозии

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Природа овражной термоэрозии"

- од

1 МобкОвЬкИЙ'ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА Географический факультет

ПОЗНАНИН Валентин Львович

. ПРИРОДА ОВРАЖНОЙ ТЕРМОЭРОЗИИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 1295

Работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ШИИИС) Минстроя Российской Федерации.

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Б.И.Втюрин доктор географических наук, профессор В.И.Соломатин доктор технических наук, старашй научный сотрудник А.Г.Топчиев

Ведущая организация - Институт географии Российской Акадеш Наук

Запита диссертации состоится " 1995 г. в

15 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии, эволюционной географии, мерзлотоведению и картографии (Д-053.05. при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова I адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географичес! факультет, 21 этак, аудитория 2109.

С диссертацией ыонно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан " )<СЛ^лЛ> 1995 г. Факс: 932-88-36

Ученый секретарь диссертационного совета",

профессор ^ ^

ЮЖКшшнков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Выбор темы обусловлен важностью исследования опасного развития оврагов в криолитозоне и слабой изученностью термоэрозии. Современное хозяйственное освоение Севера приводит к возникновению и активному росту термоэрозионных оврагов в мерзлых дисперсных грунтах за счет нарушений естественных покровов, перехвата и концентрации поверхностного стока. Активный рост оврагов часто наблюдается в тех местах, где его раньше не было» Известны случаи, когда при выпадении доздей в течение 5-10 часов происходило стремительное врезание зодных потокоз в мерзлые массивы грунта на глубину 10 м и более в виде узких, извилистых в плане и по вертикали термоорозионянх врезов, которые в гечэшге теплого сезона превращались в крупные овраги длиной более 200 м. Катастрофический рост оврагов в последние гсды приводит к авариям газо- и нефтепроводов, что придает выбранной тематике еще большую актуальность.

Разработка мероприятий по стабилизации оврагов одерживается недостаточным уровнем знаний о природе овражной термозрозии. В настоящее время большинство исследователей единодукны во взглядах на термозрозии как процесс разрушения многолетнемерзлнх пород за счет одновременного теплового и механического воздействия водных потокоз. Но несмотря на двойственный характер термоэрозии.она исследуется, почти Исключительно с позиций оценки интенсивности размыва по величине кинетической энергии эродирующего стока (Ершов, Кучуков, Малиновский, 1979; Термоэрозия дисперсных пород, 1982; Данько, Чеховский, 1984 и др.). Отсутствие данных о естественном уровне температур, о тепловом состоянии эродирующих потоков, закономерностях его изменения при взаимодействии с мерзлыми грунтами и целый ряд подобных вопросов говорит об односторонности сложившихся представлений о природе термоэрозии. Поэтому термоэрозия рассматривается нами комплексно, но с единых позиций водно-теплового взаимодействия эродирующих потоков с многолетнемзрзлкми дисперсными породами, что дает целостное представление о теории тор-утоэрозии и количественной стороне протекания процесса,

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в исследовании природы овратаой тер-.юэрозии путем изучения теплового и кинетического взаимодействия зодных потоков с многолетнемерзлыми породами на основе теорети-1еского и натурного полевого исследования гидротерми^еских загсе-

номерностей, механизма и пространственно-временного развития ..термоэрозии. Совокупность этих кошшексных задач представляет собой целостную научную проблему.

К ЗАЩИТЕ ПРЕДСТАВЛЯЕТСЯ проблема водно-теплового взаимодействия временных эродирующих потоков с многолетнемерзлыми дисперсными породами, которая включает:

1) разработку масштабных уровней проявления овражной термо-эрозки для исследования гвдротзршш, механизма и развития процесса в определенных пространственных пределах;

2) выявление закономерностей гидротермического взаимодействия водных потоков с мерзлыми грунтами на основе типизации грунтовых толщ, исследования состояния и свойств эродирующего стока, определения его пороговых значений и создания модели термоэрозии;

3) разработку механизма термоэрозии как способа теплового

и динамического разрушения мерзлых пород водными потоками в условиях экстремального протекания процесса для выявления его сущности и объяснения возникающих форм рельефа;

4) оценку пространственно-временного развития термоэрозии на основе исследования парагенатической трансформации первичных форм рельефа и потенциальной активности процесса по величине гидротермического потенциала стока.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что впервые сформулированы основные принципы исследования термоэрозии, установлена количественные значения критических параметров развития проце< са, выявлены закономерности взаимодействия водных потоков с мерзлыми грунтами, разработан механизм процесса в условиях, экстремал] ного роста оврагов, а также решен ряд других задач, которые наиб< лее полно раскрывают природу овражной термоэрозии.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Овражная термоэрозия является русло-вил криогенным процессом. Поэтому в работе использованы методы эрозионаорусловых и мерзлотных исследований. Выбор конкретных методов при выполнении полевых и камеральных работ определялся стремлением получить количественные характеристики процесса.

Полевые работы выполнялись стационарными, маршрутными и аэр< визуальными методами. Основной, акцент в исследованиях был сделан на проведение режимных, иногда круглогодичных наблюдений, методика которых достаточно хорошо разработана и периодически совершенствуется. Камеральные работы включали в себя анализ полевых материалов, их систематизацию и обобщение, а также создание качестве)

шх моделей различных аспектов развития термоэрозии, составление ¡цейариев наиболее вероятного развития событий и теоретическое конструирование взаимодействий в тех случаях, когда прямые наблюдши были невозможны по причинам несоответствия масштаба исследованных явлений и точности существующих методов измерения.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. В основу работы положены материалы, юлученные в период работы в Комплексной гидрогеологической экспе-сищш ВСЕ1ЖГЕ0 (1978-1983) и в институте ПНИИИС (1983-1995). Ис-¡ледования выполнялись по отраслевым проектам, тематическим планам ; программам соответствующих институтов, по хоздоговорам с различиями организациями Газпрома.РФ, а также в рамках Российско-Аиери-оанского проекта "Комплексное исследование морей Арктики и Антарктики", раздел "Криолитосфера. Динамика береговой зоны".

С 1978 года автору данной работы приходилось участвовать в :ачэстве начальника отряда в организации и проведении полевых ра-Sot в разных районах криолитозоны: Прибайкалье и Забайкалье Д978-1981), Центральной и Северной Якутии (1982-1983), на севера !ападной Сибири: Лабытнанги-Салехард (1986-1987), полуостров Ямал Д988-1992), Нздыы-ТазоЕСКое междуречье (1994-1995). За это время юбран большой фактический материал, который получен в результате: заполнения маршрутных и аэровизуальных работ на обширных участках территории различных регионов, обследования нескольких сотен оврагов в разных природных условиях¡ оборудования 3-х-полигонов и око-го 20 режимных площадок, на которых выполнено более 1000 измерений ^щротермических параметров термоэрозии, несколько тысяч морфомет-жческих измерений, более ста нивелирных ходов, пробурено около [ тысячи погонных метров скваяины с онробыванием свойств хрунтов, фоведено около 100 экспериментов по размыву мерзлого грунта в ус-ювиях естественного залегания пород, выполнен большей объем спе-щалъпых снегомерных, фильтрационных и других видов работ, а так-ге расчеты водно-теплового баланса при взаимодействии водных потоков с мерзлыми грунтами.

В работе использованы преимущественно полевые материалы, порученные автором лично при участии студентов-практикантов кафедры (риолитологии и гляциологии географического факультета МГУ и кафедры инженерной геологии Читинского политехнического института. Зсем им автор выражает искреннюю благодарность за помощь в работе.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Результаты, полученные нами в цроцес-зе многолетнего исследования термоэрозии, нашли практическое ис-

пользование при:

- составлении усовершенствованной методики комплексного из чения и прогноза термоэЧюзиа при проведении режимных наблюдений и съемки (Методкка изучения и пх-сгаоза экзогенных геологических процессов. И.: Недра, 1983);

- проведении комплексных инженерно-геокриологических работ для обеспечения изысканий и проектирования железной дороги на п дуострэве Ямал (хоздоговорные работы с ГШ. "Ленгипротранс", 192 1992);

- при разработке природоохранных мероприятий, экологически безвредных технологий и оборудования для освоения газовых и га-зоконденсатнкх месторождений полуострова Ямал (хоздоговорные ps боты с ВШЖ'азом, 1990-1993);

- создании карт развития опасны:'.- криогенных процессов, в том числе и термоэрозия (хоздоговорные работы с Газпромом, 1Э8Е 1994);

- обосновании инженерно-геокриологического мониторинга на объектах первоочередного освоения Песцового и Заполярного мест< рождений нефти и газа Западной Сибири (хоздоговорные работы с i статутом "ОаратовВНИИИГаздобыча", I9S4-I995).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы были предста] лены и доложены на 30 различных заседаниях, в том числе на: Ш Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эроз! онных и русловых процессов б различных природных условиях" (Moi ква, 1981); Междуведомственном совещании "Геокриологический пр< гноз в осваиваемых районах Крайнего Севера" (Москва, 1982); Вс союзных научных конференциях то геокриологии Забайкалья (Чита, 1982, 1984); 2S Моадународном геологическом конгрессе (Киото, Япония, 1392); заседаниях Совета по криологии Земли РАН (Москв 1982, 1989, 1990, 1992, 1ЭЭЗ, 1994, 1995); секции гидрологии U ковского филиала географического общества СССР (1983); секциях географии (1985) и инженерной геологии (1983) Московского обще ва испытателей природы; научных семинарах в экспедиции БАМ гео логического факультета МГУ (1982), лаборатории проблем освоени Севера (1986), кафедре криолитологии и гляциологии (1987), лас ратории эрозии почв и русловых процессов географического факу.т тета МГУ (1991), института механики МГУ (1989), отдела геологу и изысканий Ыосгапротранса (1982), отдела геокриологии и инж'л: ной геологии ВСШЫГЗО (1981, 1986), отдела гляциологии янстиз

та географии РАН (1985, 1907), кафедры инженерной геологии МГРИ (1906) и в ПНИИИСе (1985, 1987, IS95).

По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе одна коллективная монография.

Еще две коллективных монографии находятся в печати.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В диссертации изложены результаты исследований овражной термоэрозии (1978-1994), а также других экзогенных процессов, которые были объектом изучения в период с 1972 по 1994 годы. На протяжении всего этого времени автору доводилось постоянно участвовать в полевых экспедиционных работах на Полярном Урале, Кавказе, в зоне БАМ, Якутии, на Тянь-Шане и сева-ре Залгдной Сибири, где объектом исследований, помимо термоэрозии, бши селевые потоки, лавины, курумы, солифгаокция, пучение и другие экзогенные процессы рельефообразования; принимать участие в составлении проектов к программ работ, определять основное направление исследований в полевых условиях, обрабатывать и обобщать полученные данные, участвовать в написании 32 научных отчетов з соавторстве и индивидуально.

Все основные результаты, изложенные в данной работе, получены автором лично и самостоятельно.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ". Поставленная в диссертации цель и задачи исследования природы овражной термоэрозии определяют общую' структуру и содержание работы. Наиболее полно природа процесса может быть раскрыта только о целостных научных позиций (методология) путем исследования главных качеств и свойств эродирующего стока (гидротермия), выявления механизма (сущности) и опенки пространственно-временного изменения (развития) термоэрозии. Именно поэтому диссертация состоит из введения', 4 глав, посвящогашх методологии. гидротершга, механизму и развитию термоэрозии, и заключения, содержащего основные вывода работы. Структура диссертации отражает логическую последовательность выполненных соискателем этапов работы, которые нашли свое отражение в названии и содержании соответствующих глав диссертации.

Работа содержит 252 страницы машинописного текста, 49 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 363 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Автор приносит большую благодарность за внимание к поддержку при написании работы заведующему отделом геокриологии А.Л.Чеховскому и заведующему лабораторией геокриологического прогноза

- б -

ПНИИИС В.П.Чернядьеьу.

Особую признательность автор выражает М.М.Корейше, В.П.Ма-рахтанову и К.С.Воскресенскому за просмотр рукописи и ценные замечания, С.Г.Геворкяну за помощь при количественных оценках взаимодействия, а также идейному вдохновителю работы Е.А.Втюриной.

Льтор искренне благодарит многих ученых, с кем ему приходилось непосредственно общаться в процессе проведения полевых работ л обсуждении полученных результатов на заседаниях тематических сгминаров и при личных контактах: Ф.Э.Арэ, В.В.Ваулика, К.Ф. Войтковского, Г.Ф.Грависа, А.Ф.Глазовского, С.Е.Гречищеза, Г.И. Дуоихова, М.Б.Дюргерова, Л.А.Жигарева, В.Г.Коядратьева, В.Н.Кони-щева, А.Г.Костяева, Т.И.Лазареву, В.П.Мельникова, В.Л.Невечерю, А.В.Орлова, В.Ф.Перова, А.И.Попова, А.Л.Рагозина, Г.Э.Розенбаум, H.H.Романовского, Е.А.Савельева, А.Ю.Сидсрчука, В.И.Соломатина, А.П.Стекленкова, А.Я.Стремнкова, Б.Л.Суходровского, И.О.Тихвинского, Е.А.Толстых, В.Т.Трофимова, Н.Б.Тумель, С.М.Фотиева, В.Г. Ходакова, Н.А.Шполянскую.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

ОЕраагаая термоэрозия представляет собой процесс разрушения многолетнемерзлых дисперсных пород за счет одновременного теплового и механического воздействия временных водных потоков. Она является одним из основных криогенных процессов рельефообразова-ния, который во многом определяет современный облик криолитозоны. Природа и механизм термоерозки до настоящего времени слабо изучены и по-прежнему остаются одной из важнейших проблем динамической геокриологии (Мельников, Ершов, Романовский, 1989). Проблема разрешима с позиций взаимодействия водных потоков с многолетнемерз-лыми .дисперсными породами. Взаимодействие носит сложный двойственный характер - одновременно тепловой и механической. Гидротермическое воздействие 'водных потоков на мерзлые толщи приводит к возникновении термоэрозионных врезов к потере устойчивого состояния грунтовых массивов, что провоцирует проявление целого комплекса парзгенетзчаских процессов на бортах врезов и постепенном!' их превращению в типичные овраги. Общее развитие оврагов отражает проявление термоорозии в ое геолого-геоморфологическом толковании, а само врезание водных потоков в мерзлые массивы - в ее физическое толковании. Такое разделение процесса условно, но весьма удобно

для исследования единства и двойственности термозрозии, выявления закономерностей, механизма и оценки пространственно-временного развития процесса. Роиениэ этих задач невозможно без данных прямых полевых наблюдений за возникновением и развитием оврагов, без теоретического осознания гидротермического характера взаимодействия водных потоков с мерзлыми грунтами.

Во введении сформулирована проблема гидротершчзского взаимодействия, дана оценка актуальности выбранной теш, обосновывается структура диссертации, а также рассмотрен ряд моментов, изложенных в автореферате при общей характеристике работы.

Глава I. Методологические аспекты исследования термоэрозии и состояние ее изученности

Общая система нашх взглядов на овражную термоэрозию как один из рельефообразующих процессов в криолитозоне базируется на современных представлениях об экзогенных геологических процессах суши как проявлении закономерного развития геолого-географической среды, тлеющей сложную многофакторную структуру и представляющей собой целостную систему (Бондарик, 1981; Золотарев, 1Э83, 1985; Ломтадзе, 1986 "и др.). Функционирование системы обусловлено взаимодействием различных природных сред друг с другом и с горными породами, в результате чего проявляются процессы рэльзфообразеваяия» Наличие в криолитозоне процессов различных генетических групп (Су-ходровский, 197Э; Гарагуля, Ершов, 1989 и др.) обусловливает необходимость рассматривать термоэрозию не отдельно, а з комплексе с другими процессами.

1.1. Специфика процессов рельефообразования в криолитозоне обусловлена действием криогенного фактора. Для выявления особенностей проявления различных по генезису процессов использован следующий прием - рассмотрены механизмы и, насколько эте возможно, сущность отдельных процессов с позиций оценки степени их эрозионнос-ти. В соответствии с существующими воззрениями,, а также личным опытом в исследовании природных процессов, выполнен анализ прояв- . ления экзарации, нивации, снежных лавин, термоабразии, термозрозии, суффозии, дефляции, наледеобразования, солифлюкщш, курумоь, обрушении, криогенного растрескивания, термокарста и пучения. Сделан вывод: процессы разных генетических, групп, имеющие различные механизмы и свои особенности протекания, характеризуются наличием общего свойства - эрозионкссти. Она проявляется в диапазоне от полного ее отсутствия и элементарных эрозяонно-подобных эффектов, не

определяющих сущности процесса, до собственно эрозионных процессов, имеющих сложную термогидромеханическую природу.

1.2. Место термоэрозий в системе процессоз рельефообразова-ния определено путем разработки общей структурно-генетической классификации процессов рельефообразовакия в криолитозоне. Для этого проведена типизация рассмотренных выше цроцессов в координатах "природная среда - эрозионность". Природные среда разделены по' еязкости вещества и представлены в виде естественного ряда: воздуу.-вода-лед-грукт. Брозиоинестъ процессов получена исходя из характера сплошности эрэдирукцих сред, которые разделены на сплошные (концентрированные - рассеянные) и прерывистые (содержащие

и не содержащие элементы эродирующих сред), что позволило построить шкалу ррозионности и выделить 4 типа процессов: собственно эрозионные, эрозпокко-подобнне, псевдоэрознонные, неэрозионныо. Схема представлена в виде таблицы.

Полученная схема усовершенствована нами на основе существующих общих классификаций (Репк, 1894; Саваренский, 1937; Николаев, 1948 и др.). Перечень основных классов т позаимствовали у В.Ф. Пырова (1981). Предлагаемая классификация представляет собой схему, в которой по вертикали показаны факторы (классы) процессов -гравитационный, термический, эоловый, флювиальный, инфилътрацион-ный, гляциальный, криогенный, а по горизонтали - эрозионность процессов. .Таблица содержит 7 генетических групп, каждая из которых разделена на 4 подгруппа по степени эрозионности процессов. Полученное признаковое пространство из 28 ячеек заполнено неравномерно - в соответствии с действием доминирующих факторов отдельно для каждого из процессов. Число факторов, характер их воздействия на горные породы и взаимодействия друг с другом отражают структурную сложность процессов: любой, отдельно взятый процесс в таблице имеет свой, индивидуальный "генетический код." - неповторяющееся сочетание, свою комбинацию факторов.

Место термоэрозии определяется ее отнесением в криогенный класс и нахождением в эрозионной группе процессов. Термоэрозия имеет генетическую связь со всеми процессами, независимо от их специфики и масштабности.

1.3. Масштабные уровни проявления тэрмоэрозии необходимы как основа для исследования процесса в строгс определенных пространственных предела:;. Нами предложена схема для оценки протекания термоэрозии, в основу которой положены современные представления об

уровнях организации вещества литосферы (Драгунов, 1965; Круть, 1973, 1978; Толстых, 1985; Фролов, 1987 и др.). Проверка физической обеспеченности границ уровней на основе гравитационного критерия деления позволила установить скачки б изменении свойств вещества при переходе с одного уровня на другой. Геологическое содержание уровней дополнено геокриологическими объектами, определены их пространственные границы по данным М.Л.Садовского (1979, 1982, 1384), установлены временныэ интервалы развития событий в их пределах и дано их название.

Предложенная таблица представляет собой пространственно-временную шкапу дая изучения любых по масштабу проявлений термоэрозии в строго определенных пространственных пределах. Ока используется для исследования гццротермии, механизма и развития термоэрозии.

1.4. Современное состояние изученности термоэрозии. Анализ публикаций по исследованию овражной термоэрозии показал, что первые, достаточно полные сведения о процессе были получены Б.А.Тихомировым в 1948 году. Спустя 10 лет началось целенаправленное исследование термоэрозии, благодаря усилиям сотрудников лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ - Б.Ф.Косова, Г.С.Константиновой, Б.П.Любимова и других, которые впервые дали целостное представление о развитии оврагов на севере Западней Сибири. В конце 70-х - начале 80-х годов произошел своеобразный бум в изучении термоэрозш: на геологическом факультете МГУ (Э.Д.Ершов, Д.В.Малиновский, Э.З.Кучуков и др.), в институтах ПНШИС (В.К.Даяько, А.Я.Стремяков, А.Л.Чеховский и др.), ВСЕЛИЛО (Г.Ф.Гравис, З.Л.Познанин и др.), в Башкирском государственном университете (В.Б.Салагаев, С.А.Лобастова и др.), Читинском политехническом институте (А.В.Крапачев, В.С.Петров и др.) и ряде других организаций проводились комплексные исследования термоэрозии, включая режимные наблюдения, полевые и лабораторные эксперименты, аналитическую проработку различных аспектов проблемы. В результате было опубликовано около 100.статей, одна коллективная монография ("Термоэрозия дисперсных пород", МГУ, 1982), а также защищены 4 кандидатских диссертации. После этого интерес к проблеме почти полностью угас - подспудно считалось, что все главные вопросы решены. Исследования' термоэрозии не прекратились лишь на географическом факультете МГУ (К.С.Воскресенский, В.Е.Земчихин, С.ВЛистов и др.) ив ПНИШСе (В.К.Данько,

Масштабные уровни проявления оврачной термоарозки

Геокриологические объекты Пространств Гранины объектов* Времегтие интервалы Объекты исследован/я термоэрозии Уровни проявления термоэроэии

криолитозона - Ю4-Ю5лет общая опенка активности 7. зональный го к

геокриологические районы 160-4400 та Ю3-Ю4 лет региональная оценка активности б. региональный к « а р.

криогенные комплексы 0,25-120 км 1-100 лет ря*им оврагов 5. локальный

шоголгтнемерэлые толщи 4-150 к 1-100 час динамика русловых форм 4. блоковый

мерзлые слои грунта и залэ^еобрээующие льды 0,3- 2 м 1-100 мин зарождение перэмчнкх форм рельефа 3. эталонный 2 о 5!

элементарные слои гру нта и тэкстурообразу-ющие льды •0,1 -14 см 0,01-10 с разрушение элементарных слоев 2. элементарный Ы X С)

отдельные частииы грунта и кристаллы льца Ю^-Ю^см Ю^-Ю^с физичеекиэ процессы в частицах мерзлого грунта I. точечный 3

* Данные М.А.Садовского Г1979, 1982, 1984 и др.)

В.Л.Познашш, М.Г.Скубкцкая).

К середине 90-х годов накопился обшрнтй материал ко результатам более чем 30-летних исследований тормоэрэзии различными учеными - С.С.Коржуевым, А.Н.Толстовым, В.Л„Суходровским, H.A. Граве, И.А.Некрасовым, А.П.Тнртиковым, И.В.Климовским, С.В.Томир-диаро, И.И.Еамановой, Т.А.Шараповой, Д.М.Иестерневнм и другими. Были решены многие вопросы, но при этом остались практически неизученными сами эродирующие потоки: в литературе почти нет данных о расходах и мутности потоков, полностью отсутствуют сведения об их тепловом режиме за исключением работ автора диссертации. Поэтому проблема водно-теплового исследовшшл термоэрсзии существует п по сей день.

Глава 2. Г'идротермия овражной термоэрозии

В качестве ключевой позиции, необходимой для понимания всей работы в целом, мн выдвигаем принцип тдрмозрооиояного экстремума, суть которого заключается в необходимости исследования наиболее активных (экстремальных) проявлений процесса. Такой подход к сла-боизученным процессам позволяет наиболее полно выявить неизвестные ранее особенности протекания термоэрозии, сформулирогать главные закономерности и решить целый рад других задач.

2.1. Теоретические аспекты гидротермического взаимодействия водных потоков с мзрзлнми грунтами необходимы для выявления общих закономерностей термоэрозш. Существующая концепция процесса основана на оценках интенсивности размыва ( 3 ) в зависимости от величины кинетической энергии (Ек ) потоков (Термоэрозия..«, 1982; Данько, 1982; Яковлев, 1980 и др.). Мы нэ отвергаем существующую модель термоэрозии, рассматриЕач развитие данного процесса при условиях, когда скорость смыва талого слоя много больше субаквально-го оттаивания грунта через талый слой, а при ого удалении - только предельно-термоэрозионный тип размыва, когда термически разрушаемый грунт практически мгновенно сносится водным потоком (Термсэро-зия...., 1982). Для решения задачи мы вводим температурную координату, параллельную оси интенсивности и анализируем изменение интенсивности размыва грунта при возрастании кинетической энергии потока для двух предельных значений температуры воды - 0° и 100с0.

Установлено, что после смыва оттаявшего слоя, имеющего место при некотором значении Ек, происходит отрицательный или положительный скачок интенсивности размыва при предельных значениях температуры вода. Анализ ..изменения характера кривей D (Е ) при росте

кинетической энергии потока в экстремальных температурных условиях и оценка развития событий без скачка интенсивности, который возможен лишь теоретически ири условии равенства интенсивности размыва талого слоя и интенсивности термического разрушения и сноса грунта при некоторой промежуточной температуре воды, приводят к выводу о блокировке теплообмена оттаявшим слоем грунта в силу несопоставимости величины теплообмена при наличии и отсутствии талого слоя на раздаваемой поверхности.

2.2. Литогзнкад основа модели термоэрозии и выбор объекта исследований. Термоэрозионные овраги возникают и развиваются в конкретных грунтовых условиях за счет взаимодействия разномасштабных в тепловом и кинетическом отношениях'водных потоков с различными по составу,, строению и свойствам мерзлыми толщами. Огромное разнообразие в сочетании свойств эродирующих потоков и мерзлых грунтов требует их типизации для ограничения числа возможных взаимодействий. Эта идея реализована нами путем создания модели термоэрозии, которая состоит из двух взаимодействующих информационных блоков - грунтового а гидротермического.

При анализе состава, строения и основных свойств мерзлых толщ с позиций их разшваемости установлены главные критерии типизации мерзлых грунтов - связность в оттаивающем состоянии и льдис-тость грунтов. По первому критерию все грунты разделены на несвязные (пески - легкие супеси) и связные (тяжелые супеси - глины), а по второму - на малольдистые и льдистые (отсутствие - наличие за-лежеобразующих льдов). Качественные критерии деления уточнены по различиям з количественных значениях параметров: связность - по величине предельного напряжения сдвига в оттаивающем состоянии, льдистость - по степени льдонаешцения песчаных грунтов и по льдис-тости включений глинистых пород. В результате типизации построена диалогическая основа модели термоэрозии в виде информационного блока, разделенного на 4 категории пород по их размываемости: пеочаные малольдистые, песчаные льдистые, глинистые малольдистые, глинистые льдистые. Разработанная схема позволила обосновать выбор объекта исследования термоэрозии как мерзлых массивов тонких песков разной льдистости. Именно такие природные объекты выбирались в полевых условиях для исследования экстремальных проявлений термоэрозии. Термоэрозионный экстремум возникает независимо от экспозиции склонов при их крутизне более 4,5°, когда скорость эродирующих потоков намного превышает допустимую неразмывающую, которой

соответствуют уклоны около 1,5°.

2.3. Режим и структура тормоэрозиокного стока определяют свойства эродирующих потоков и характер гпцротермического разрушения мерзлых массивов заданного строения. Это дало нам возможность применить для исследования термоэрозии метод водного-баланса. С его помощью установлены основные и дополнительные источники воды

в термоэрозионных оврагах, контролируемые величиной стока в"замы-•саюцем створе: головной сток, боковой поверхностный сток, добавки стоку за счет выпадения осадков на площадь оврага и за счет тая-тя подземного льда, фильтрационный сток, временно аккумулирование оврагом количество вода. Метод водного баланса термоэрозии позволил количественно оценить роль различных источников стока в развитии процесса, выявить основные черты режима термоэрозионного ;тока в головном и устьевом створах оврагов, показать разлитая, в симметрии гидрографов, установить уровень естественных температур зоды (0-20°) и ее падение между створами. Анализ количественных щраметров стока - расходов, температур и мутности для разных пе-жодоз протекания процесса (весепного, летнего, осеннего) ухазыва-;Т на существование строго закономерного характера взаимодейстзия юдных потоков с морзлнми песками.

Исследовшгие режима и структуры термоэрозионкого стока приносит к выводу о том, что метод водного батанса является по сути гид-ютермическим методом, который позволяет количественно учитывать .одно-тепловой баланс эродирующих потоков и, следовательно, примени при создании гидротермического блока модели термоэрозии.

2.4. Гидротермический блок модели яермоэрозии и общая схема заимодействия водных потоков с мерзлыми грунтами разработаны, ис-оде -из относительной стабильности режима основных гидрстермичео-их параметров термоэрозионного стока - расхода к температуры. В оловных створах оврагов соотношение расход - температура может ыть любым в зависимости от района исследований, времени года и огодных условий, а в устьезнх частях - подчиняется гиперболячес-сму закону. Для количественной оценки таких изменений нами вводит-а понятие гидротермкческого потенциала термоэрозиошюго стока. Он редставляет собой потенциальную возможность выделения потоком трого определенного количества тепла при движении ьоды по мерзло-у основанию вплоть до ее полного остывания. Его численное значе-ие равно теплосодержанию потока, отнесенному к единице времени щ/о). Любая точка статистических полей данных в головных и усть-

евых частях оврагов числэнно определяется, величиной гидротермического потенциала со'ока, а разница потенциалов характеризует тепловую работу потоков между створами.

Статистическое поле точек в устьезых частях оврагов дало нам возможность эмпирически установить два первых пороговых (критических) значения термоэрозионного стока - I л/с и +2,4°. Полученная величина критического расхода совпадает с данными других исследователей (Суходровский, 1379; Термоэрозия.,., 1982). Этим значениям гидротермических параметров стока соответствует тепловая мощность, равная 10 квт. Это значение мощности является эталонным; оно позволяет сравнивать друг с другом любые эродирующие потоки з оврагах путем отнесения их тепловой мощности к эталону. Вторые пороговые значения расхода и температуры потоков определены также эмпирически по величине предельного насыщения эродирующих потоков твердым материалом - около 450'г/л. Такая мутность потоков фиксировалась при теплопотерях более 419 кдк/с, имевших мес-тс при расходах около 12,5 л/с, т.е. при падении температуры потока на 8°. Правильность эмпирически получэшюго значения тепжопотерь подтверждена физически: при критическом стоке I л/с к максимально возможной температуре воды +100° теплосодержание потока разно 419 кдж/с.

Критические значения расхода и температуры позволяют типизировать эродирующие потоки по их масштабности на потоки малых 1ме-нее I л/с) и больших (более I л/с) расходов, каждый из которых разделен по их тзшювоыу состоянию на низкотемпературные (менее 2,4°) и высокотемпературные (более 2,4°). Полученная схема, состоящая иг 4 категорий потоков, наложена на грунтовый блок модели. Так была получена общая схема модели термоэрозии в виде взаимодействия двух информационных блоков - гэдротермич еокого и грунтового. Число возможных взаимодействий между водными потоками й мерзлыми груътами уменьшено по 16, среди которых в соответствии с-принципом термоэрозЕонного экстремума выделено 2 главных - взаимодействие больших высокотемпературных потоков с несвязными грунтами: I) малольдистымк и 2) льдистыми.

2.5. Главные закономерности гидротерыкческого взаимодействия водных потоков с мерзлыми грунтами выявлены при построении качественной модели термоэрозии и исследовании режима процесса. Установлены общие закономерности формирования термоэрозионного стока: аккумулирующая способность овражных русел, приводящая к

импульсивности стока; гидравлическая инерция стока, проявляющаяся по временной сдв1ш:е между его элементами; инерция сохранения общего теплосодержания потоков, когда большим расходам, как правило, соответствуют низкие температуры вода, а малым расходам -высокиэ. Одна из главных закономерностей гидротермического взаимодействия водных потоков с мерзлыми х-рунтами заключается в том, что в устьевых створах активно растущих оврагов связь температуры воды и расходов потоков подчиняется гиперболическому закону. Кроме того, на основе исследования изменения температуры веды по длине овражных русел при различных расходах и мутности потоков установлено: I) закономерное взаимодействие водных потоков с мерзлыми грунтами проявляется з существовании так называемых термических зон - зоны теплопотерь водного истока (полных или частичных), зоны термической стабильности (пассивной или потенциально активной), зоны накопления тепла (начального или дополнительного); 2) длина зоны полных или частичных теплопотерь, т.о. зоны наиболее активного теплообмена, пропорциональна температуре воды и расходу эродирующего потока; 3) протекание термоорозии ь условиях естественного развития процесса характеризуется наличием двух различных состояний водного истока - локальной и полной гидротермической активности, отличие которых заключается в том, что в первом случав размыв приурочен к верховьям оврагов, а во втором -охватывает все русло; 4) максимальный рост оврагов в длину наблюдается з первые же годы их возникновения, что постепенно приводит к уменьшению скорости удлинения основного ствола и к опережающему росту отвержков, что типично для эрозии в целом.

2.0. Размываемость мерзлых пород обусловлена термической дезинтеграцией и динамическим сносом частиц. .Двойственность термоэрозии требует рассмотрения двух сторон размываемссти и установления между ними определенных количественных соотношений. В качестве показателей размываемости мерзлых дисперсных пород обычно используются тепловой и механический коэффициенты сопротивляемости размыву, представляющие собой по сути удельную энергию водных потоков, необходимую для оттаивания и сноса I м3 грунта (Термоэрозия, .., 1932; Малиновский, 1937 и др.).

Величина твердого стока в термоэрозионных оврагах прямо зависит от теплопотерь, которые определяются величиной падения температуры воды между створами (л Т). По фактическим данным нами установлено, что ес;ш по каким-либо причинам термически разрушав-

мкй слой грунта все меньше уносится водным потоком, то величина д Т уменьшается в сюу роста толщены изолирующего слоя наносов, т.е. параметр дТ контролирует характер протекания термоэрозии. Контрольная функция величины Ъ Т в развитии термоэрозии позволяет записать условие равенства'термической дезинтеграции и непосредственного кинетического удаления разрушаемого грунта для полуцилиндрического сечения потока с глубиной И , равной радиусу окружности, в виде формулы:

Чт Э€} 4 Р. п ,КГ/С'

где с|т - твердый сток; С - объемная теплоемкость воды, 0. - расход потока; Э€ - удельная теплота плавления льда.; 1 - весовая льдис-тооть грунта; 1Т = 3,14; р - плотность воды; V - скорость потока; йп - удельная энергия, характеризующая способность оттаивающего грунта к механической дезинтеграции и сносу (дж/кг). Формула (I) представляет собой математическое описание всех 16 видов взаимодействий в модели термоэрозш в силу установленного свойства параметра л Т контролировать процесс. На основе исследования структуры величины Яп нами предложена эмпирическая формула для расчета критических скоростей потоков, т.е. таких скоростей, при которых весь термически разрушаемый грунт независимо от его дисперсности выносится за пределы растущей формы рельефа. Формула написана, исходя из .условия необходимости достижения эродирующим потоком установленного предельного насыщения (около 450 г/л) независимо от состава раздаваемого грунта. Она имеет вид: "У Кр=(0,9 Нп м/с. Расчеты по этой формуле показали, что для песчаных грунтов критическая скорость изменяется в диапазоне 0,65-2,0 м/с, а для глинистых - 4,1-5,2 м/с. Фактические скорости эродирующих потоков в термоэрозионкых оврагах не превышали 1,5 м/с, что указывает на преимущественно термоэрозионный размыв песчаных грунтов к эрозионный - глинистых.

Исследование размываемости мерзлых пород позволяет сформули- ■ ровать принцип физического единства гидротермического разрушения мерзлых грунтов, основанный на единстве показателей размываемости. Суть этого принципа заключается в том, что независимо от района исследований термоэрозш водно-тепловая дезинтеграция пород имеет единый характер в сходных грунтовых условиях, что является логической. основой для исследования механизма термоэрозии.

Глава 3. Механизм термоэрозии

Исследование механизма термоэрозии ш проводим, исходя из двух принципов - принципа термоэрозионного экстремума и принципа физического единства гядротермичес.кого разрушения мерзлых грунтов. Большая часть новых сведений изложена по механизму термеэрозии в песках при исследовании процессов разрушения контактируэще-го с водой элементарного слоя мерзлого грунта заданного строения. Полученные нами при полевых наблюдениях данные о зарождении микроформ рельефа з мерзлых песках, динамике первичных форм и о катастрофическом росте термоэрозионных врезов не укладываются в общепринятую концепцию о стаивании льда и динамическом сносе частиц при субакваяьном разрушении элементарного слоя (Ловчук, 1979; Тэрмоэрозия..., 1982 и др.). Поэтому в диссертации предлагается концепция об осциляционном и эмиссионном механизмах разрушения контактирующего с водой слоя мерзлых песков, протекающего на фоне непрерывного стаиваяия льда, а также о специфическом механизме удаления разрушаемого грунта - ротационном.

3.1. Осциляционный механизм тзрмоэрозии представляет собой совокупность процессов водно-тепловой дезинтеграции мерзлых грун-' тов на первом, точечном уровне проявления термоэрозии. Исследование этпх процессов потребовало типизации строения тонких льдистых песков, структура которых упрощена и представлена з виде следующей идеализированной схемы: минеральный скелет состоит из кварцевых зерен сферической ферлн диаметром 0,1 мм, имеющих среднюю плотность упаковки п величину пористости 0,4, поры грунта целиком заполнены льдом и не имеют воздушных включений, температура грунта составляет -1°. Такая схема правдоподобно отражает состояние приповерхностных слоев тонких кварцевых песков флзовияльного генезиса в естественных условиях при их полном льдонасыщснпи.

Сбъзкт исследования представляет собой одно зерно с прилегающими к нему частями смежных зерен и поразим льдом. Принято, что на рассматриваемой льдо-минеральной поверхности в начальный момент времени появился водный поток с> критической скоростью и граничной температурой воды +2,4°. При мгновенном задании такого условия на льдо-минеральной поверхности возникает явление теплового удара, при котором на поверхности зерен и льда одновременно формируются волна термоупругих напряжений и тепловой фронт. Выполненный нами анализ прохоздения термоупругих колебаний и теплового фронта через зерна грунта и поровый лед, количественные

оценки термоупругих напряжений и скорбсти их прохождения через отдельные зерна элементарного слоя '¿озволлли выявить кумулятивные эффекты, возникновение кикротрещин, эффекты встряхивания, разворачивания и шевеления зерей, частичное плавление льда и наличие электромагнитного (УКЦ) излучения за счет пьезоэлектрических свойств шарца и льда. Вся совокупность этих эффектов в пределах зерен и норового льда названа осдиляциями..

В естественных условиях развития процесса общая картина.ос-щшщионного механизма значительно сложнее в силу неправильной формы песчаных зерен, различий в их размерах и других причин. Однако характер описанных процессов, их параметры и доминирующая ро,ль теплового объемного расширения льда, а также асимметрия теплового фронта физически не изменяется. Передача тепла и обусловленные его поглощением эффекты, судя по градиентам температуры, достигающим 240 град/мм и более, возникают преимущественно в отдельных зернах грунта и контактирующих с ними объемах порового льда. Осциляционннй механизм терлоэрозии подтверждается экспериментальными данными по исследованию термоактивэционных эффектов (Петренко, 1990; Сахаров, 1988; Смирнов, Дементьев, 1985; Соболев и др., .1982 и др.).

3,2. Эмиссионный механизм термозрозии представляет собой процесс разрушения элементарного, контактирующего с водой слоя мерзлого грунта как результат выдавливания отдельных песчаных зерен и частиц порового льда в буферный слой водного потока за счет теплового объемного расширения кварца и льда при прогревании этого • слоя на фоне поверхностного стаивания льда. Эмиссионный механизм исследуется в условиях идеализированного строения песков, которые взаимодействуют с водным потоком, имеющим критическую скорость и граничную температуру воды +2,4°. Взаимодействие анализируется, исходя из порционного характера теплопередачи из вода в мерзлый грунт, которая.проявляется б виде блуждающих по разрушаемой поверхности точечных очах'ов теплообмена. Тепловое объемное раеппфе-„ние кварца и, особенно, льда внзывает в элементарном слое прояв-лег ; очагов концентрации напряжений, результирующая которых направлена ввэрх. Величина напряжений в очагах при прогревании льда ■ на 1° (что соответствует принятой идеализированной схеме строения грунта) доставляет в разных частях порового пространства от 3 до 32 Ша, а мгновенная прочность льда изменяется в'диапазоне 1-10 Ша. Рост напряжений приводит к разрушении элементарного слоя, .

которое в,силу асинхронности оецшшционного механизма происходит в виде неодновременного выталкивания (отстреливания) некоторой совокупности кварцевых зерен и частиц льда в буферный слой водного потока, который и сносит их.

В естественных условиях протекания процесса общая картина эмиссионного разрушения грунта более сложна за счет различного размера зерен, влияния неоднородности их упаковки а пульсирующего режима водных потокое, структура которых изменена частицами твердого материала. Эмиссионное разрушение мерзлого грунта подтверждается данными фактических наблюдений за возникновением первичных понижений (каверн), размер которых соответствует количественной оценке плановых границ тепловой деформации злементарного слоя, а также существованием сходных по механизм?' природных процессов - шелушением скальных пород при наледеобразовакпл.

3.3. Ротационный механизм термоэрозия ж Еозникновекие первичных форм рельефа исследованы на основе данных прямых полевых наблюдений. Возникновение и развитие первичных понижений (казерн) происходило на ровной поверхности мерзлых тонких песков, смываемой плоским водным потоком. Наблюдения показали, что е течение первой же минуты проявились закономерно расположение дугообразные асимметричные каверны размером 1-2 см, направленные выпуклостью Еверх. Каверны медленно (около м/с) смекались против течения субламинарного потока ( Не = 300-800), сливались и укрупнялись, разворачивались к крав потока. За 30 минут наблюдений, прекращенных из-за темноты, поток, имевший уже турбулентный режим движения (Кс~ 3000), сузился до 5 см, но углубился на 10 см за 15 минут (около 1,1 «Ю-4 м/с) и приобрел близкое к полуцилавдри-ческому сечению как гидравлически наивыгоднейшее - каверны трансформировались в овальную промоину.

Пррзеденнне данные характеризуют протекание термоэрозии на эталонном уровне проявления процесса. Появление закономерно расположенных каверн указанных размеров является прямым подтверзде-нием эмиссионного' механизма. Их дтшшга объяснена режимом движения потока. При субламинарном движении воды эмиссионное разрушение грунта связано со структурой стоячих волн, глиптическим характером движения воды в них, особенностями движения разрушаемых частиц, абразивными и аккумулятивными эффэктемн в разных частя:; волн. При турбулентном режиме потока его сужение и углубление обусловлено изменением соотношения продольной и поперечной транспорта-

ровки нанооов, что приводит к блокировке теплообмена наносами по периферии потока при сохранении активной эмиссии частиц в его осевой часта. Независимо от режима стока удаление частиц разрушаемого грунта носит вращательный (ротационный) характер. Форма первичных понижений в процессе их развития является отражением структуры потока. Анализ условий дальнейшего развития первичной полуци-ляндрической промоиш за счет- ротационного механизма в пределах однородного массива тонких песков позволял выявить цикличность врезания водных потоков в мерзлые грунты.

3.4. Попятный механизм термсэрозии и динамика овражных форм рассмотрены на блоковом уровне проявления процесса в пределах отдельных оврагов и их частей. В соответствии с данными наших полевых наблвдений подробно проанализирована динамика основных морфологических элементов в термоэрозяоннюс оврагах - русловых уступов. Их возникновение увязано с ротационным механизмом и кавита-ционныш эффект а',и, стимулирующими осциляционно-эмиссионное разрушение мерзлых песков. Смещение уступов в руслах оврагов имеет строго закономерный характер, обусловленный постепенным падением температуры воды по длине русла: чем ближе к вершине оврага расположен уступ, тем быстрее он смещается, погружаясь вглубь мерзлого массива. Такое смещение уступов приводит к уменьшению уклонов русла между ними, падению скорости эродирующих потоков, их меанд-рированию и переотлокешш транспортируемых наносов на мерзлой разрушаемой поверхности. На процесс формирования териоэрозионного вреза начинает действовать все большее число факторов, препятствующих непосредственному взаимодействию водных потоков с мерзлым грунтом. Попятный механизм термоэрозии проявляется в существовании динамической устойчивости русловых уступов - их способности сохранять субвбртикашьвую стенку. Это особое свойство в развитии термогрозионных форм указывает на существование саморегулирования процесса. Саморегулирование термозрозип можно трактовать значи -тельно шире - как способность потока вырабатывать только те структурные форш рельефа (термоэрозионные врезы), которые обеспечивают сохранение динамического равновесия в системе "вода-мерзлый грунт", откуда следует, что возникающие формы отражают внешнюю структуру эродирующих потоков.

3.5.1. Механизм термоэрозяи в засоленных грунтах в силу практически полного отсутствия фактических данных и литературных сведений исследован аналитически. На основе предложенной идеализиро-

ванной схемы строения тонких засоленных песков, в которых коровий лед содержит иммобилизованную воду с определенной концентрацией натриевых солей, рассмотрены процессы разрушения элементарного слоя песков при их тепловом взаимодействии с подлыми потоками, имеющими критическую скорость и граничную температуру. Специфика механизма термоэрозии в засоленных грунтах обусловлена меньшей прочностью лодяеого каркаса, что и определяет предполагаемую более высокую интенсивность размыва таких грунтов.

3.5.2. Механизм терлоэрозии не насыщенны: льдом песков рассмотрен на примере идеализированной схемы строения тонких песков. В принятой схеме промежутки мезду кварцевыми зернами заполнены воздухом, а лед в Еиде ободков цементирует частицы грунта только на контактах медду зернам, что позволило геометрически определить объем льда и степень лъдонасыщения х'рунтов, равную 0,2. Данные наллх полевых исследований по размыву малолъдиеткх песков привели к выводу о том, что интенсивность размыва возрастает медленнее, чем уменьшается льдастость грунтоз. Анализ причин установленного несоответствия, вклзчак особые флльтрацпснныэ свойства мерзлых песков, позволил высказать [.мель о тепловой блокировка фронта прогревания .за счет воздупло-сухох'о состояния грунта и эффектов флотации.

3.5.3. Механизм тер^оэрозли в глинистых грунтах рассматривается по данным рекпяшх наблюдений за розЕитлем оврагов в суглинках. Установлены постоянное опережающее размыв оттаивание льдистых пород по тальвегу, отсутствие активного теплообмена между водой и мерзльил грунтом через огтаяипй слой, а такхе споцпфкчоские процессы па контакте воды и оттаивающего грунта, включая эффекты "гидрогенного шелушения" размываемого слоя. Отсутствие термоакти-вациенных механизмов разрушения глинистых пород, исклэтая субак-Еальное стаивание льдогрунта при динамическом сталкивании не успевших оттаять агрегатов, приводит к выводу о доминировании эрозионного типа размыва в суглинках.

Таким образом, осциляционннй и эмиссионный механизмы термоэрозии отражают преимущественно процессы термомэханической дезинтеграции элементарного слоя, т.е. тепловую сторону процесса, а ротационный и попятный механизмы - преимущественно процессы гидродинамического удаления разрушаемого грунта, т.е. механическую сторону процесса. Сущность терлоэрозии заключается в единстве двух этих сторон процесса - в термогидромеханическом разъедании

мерзлых толщ водными потоками, когда тепловое разрушение поверхности мерзлого грунта проявляется в послойном гидродинамическом удалении разрушаемого грунта. Это приводит к возникновении строго закономерных образований, форма которых в. момент их развития отражает внешнюю структуру эродирующих потоков.

Глава 4. Развитие термоэрозии

Исследование развития овражной тзрмоэрозиз базируется на сформулированных выше принципах термоэрозпокного экстремума, физического единства гидротермпчзского разрушения мерзлых грунтов, а также на принципе динамичности развития. Суть последнего заключается в оценке пространственно-временного изменения термоэрозионных оврагов по наиболее динамичным параметрам термоэрозта, одним из которых является гкдрот ерилческий потенциал стока. Этот принцип использован при качественных г количественных оценках активности термоэрозии в соответствии с представлениями о ее механизме. Количественный анализ развития термоэрозии па локальном, региональном к зональном уровнях исследования процесса предворон оценкой роли комплекса парагенетических процессов, поскольку они приводят к быстрой трансформации первичных врезов и их превращению в тшшч-ныз овраги, морфология которых сходна с оврагами вне крзолитозоны.

4.1. Гравитационные, тершгческие и эоловые процессы в термоэрозионных оврагах исследованы на основе данных полевых наблюдений. Установлена двоякая роль обрушэний, которые с одной стороны являются источником дополнительного насыщения потоков твердым материалом, а с другой црпводях к заторам в руслах, отжиманию потоков, активной подрезке и отседанию бортов, что вызывает быстрое расширение оврагов от 1-2 до 5-7 м за теплый сезон. Процессы осыпания и выдувания в оврагах тесно связаны между собой благодаря тому, что условия для их проявления формирует термический фактор, который-самостоятельно не изменяет морфологию оврагов. Осыпание и дефляция, действуя совместно в течение всего года с разной активностью, приводят к постоянному медленному отступанию преимущественно верхних частей бортов со скоростью от 2 до 7 см/год, что уменьшает крутизну бортов. На этом устойчивом и почти непрерывном денудационном фоне лотом наблюдаются кратковременные вспышки активности развития оврагов при массовом проявлении обрушений, возникающих обычно цри выпадении дождей, особенно при активном врезании потоков в мерзлые массивы. Роль дождей особая: они исключают из геодинамического развития оврагов фоновые процессы осы-

пания и дефляции, но стимулируют гравитационные, а такие флювп-альные и инфильтрационные процессы.

4.2. Проявления флюдиальных и ияфильтрационных процессов в термоэрозионных оврагах рассмотрены нами с позиций не исследованных ранее отсрон их развития. Анализируются три аспекта.' I) Размыв оттаявшего, неконсолидированного иссушенного слоя грунта характеризуется скачкообразностью продвижения головной части потока по руслу, активьш проявлением флотационных эффектов при растекании потека, неравномерностью врезания и отжиманием потоки растущим слоем наносов. 2) Структура эрозии как типичного флювиалънсго процесса представлена в виде матричной схемы. Ее анализ позволил выявить различие между эрозией и термоэрозией, которое заключается в способе разрушения контактирующего с водой слоя - соответственно, гидрогенное и тепловое, хотя оба этих способа физически представлена в виде механических эффектов. Физическое единство и различив разрушения элементарного слоя, а татае установленный сходный характер удаления частиц грунта водным потоком приводят

к выводу о том, что термоэрозия является хоть и специфической, но частью единого процесса эрозии. 3) Селеподобность - особое свойство насыщенных эродирующих потоков, - возникает прп их средней плотности более 1100 кг/м3, т.е. при мутности более 100 г/л. Оелеподсбный режим эродирующих потоков наблюдался в устьевых частях оврагов, для которых дана общая характеристика взаимодействия таких потоков с мерзлым песчаным массивом.

Инфильтрационные процессы возникают в пределах оттаявшего слоя грунта. Они представлены широким спектром явлений - от монолитных блоков талого грунта, сползающего по мерзлому основанию, до жидких оползней-потоков. Инфильтредионныо процессы играззт роль самого существенного фактора расширения п<эрзичннх Ерезов и их превращения в типичные овраги.

4.3. Роль гляциальных процессоз в развитии термозрозии удалось выявить при исследовании процессов льдообразования в термоэрозионных оврагах. Установлены три периода льдообразования -весенний, летний, осенний. Весной доминируют процессы формирования натечных льдов на бортах и конжеляционных льдов в руслах и подповерхностных пустотах, летом - сублимационных кратковременно существующих льдов на бортах свежих термоэрозионных врезов, а осенью - русловых форм льда при замерзании поверхностных потоков с последующим наледеобразоьанием за счет разгрузки водоносного

горизонта СТС в процессе его промерзания. Сходство различных видов льдообразования в разных районах кряолитозоны указывает на их связь о морфологией и состоянием термоэрозионных образований, гидротершческм: режимом поверхностного и подземного стока, а также на их относительную независимость от региональных изменений природных условий. '

Наличие различных видов льда в термоэрозионных оврагах уско-'ряет или замедаяет размыв песчаных грунтоз в зависимости от условий взаимодействия водных штоков со льдом: при движении штоков по контакту со льдом процесс активизируется, а при размыве льда - резко замедляется. В связных грунтах наличие подземных льдов активизирует термоэрозию во всех случаях. В целом подземные льды играют роль природного катализатора процесса - ускорителя или за. медлителя развития овражной термоэрозш.

4.4. Криогенные аспекты развития овражной терлоэрозяи обусловлены особой, каталитической ролью подземных льдов и необходимостью специального количественного исследования специфики их вытаивания. Решение этой задачи дано на примере конкретного оврага на основе метода водного баланса, который позволил количественно исследовать процесс и типизировать его по степени водности. По условиям вытаивания погребенных и обнаженных льдов в пределах свежего термоэрозионного вреза'выделено 8 участков, для которых выполнена количественная оценка активности процесса. По величине водного расхода установлено 4 типа вытаивания льда - кондуктив-ный (0,052 л/с), фильтрационный (0,083 л/с), термоденудационный (0,39 л/с) и субаквалышй (3,3 л/с). Типизация процесса вытаивания подземных льдов позволила выявить его специфику, которая заключается в последовательном возникновении, закономерной смене и периодическом повторении вытаивания льда за счет воздействия водного потока и- тормодснудации на фоне постоянно идущего вытаивания при кондуктивной теплопередаче и фильтрации надмерзлотных вод.

В конце параграфа подведен итог исследования парагенезиса термоэрозии. Совокупность изложенных сведений обобщена и пред -ставлена'в виде качественной модели парагенезиса термоэрозии. Модель- состоит из двух схематических блоков - пространственного и временного. Пространственный блок отражает соотношение всех генетических групп процессов в пределах поперечного профиля термоэрозионных оврагов, где на бортах доминируют' гравитационные, эоло-

вые и инфильтрационные процессы, а в русле £шовиалыгае, гляци-альные и криогенные. Флювиальгай процесс придает целостность и функциональность модели. Временной блок представлен в матричной форме, где по горизонтали указаны месяцы года, а по вертикали -генетические группы процессов, протекающие с разной активностью, что показано толщиной линии для одного-двух основных процессов. Анализ модели указывает, что парагенезис тормоэрозии следует рассматривать как непрерывный в пространстве и времени процесс трансформации тзрмоэрозионных оврагов, развитие которых тлеет смысл количественно сравнивать только для одного и того ке временного интервала - периода максимальной активности.

4.5. Развитие термоэрозаи в очагах, которыми нззвагм ограниченные участки территории с активным протеканием процесса, позволяет охарактеризовать общие закономерности пространственного изменения отдельных оврагов. Они растут таким образом, что их вершины смещаются вслед за струей с максимальным расходом, причем раздвоение поверхностного потока приводит и к раздвоению гсрппни. При обобщении реякмных наблюдений на полигонах установлен;; дао главные закономерности пространственно-временного развития тор:,га-эрозионных оврагов в очагах. - неравномерность (импульсивность) ? избирательность. Неравномерность развития проявляется во внутри-и межгодовых колебаниях активности, а избирательность - в медленном "нащупывании" потоками ослабленных зон с последующими резкп-ыи вспышками активности в результате возникновения олагсориятгаи условий теплообмена между водой и мерзлыми грунтями. для изучения скачков теплообмена проведены крупчомаспгта&ше эксперименты по размыву тонких песков в условиях их естественного залегания. Эксперименты длились от 2 до 360 минут при температурах воды 0,30,4; 14,9; 18,0°, расходах потоков 4.-50 л/с, скорости 0.41-0,86 м/с. Интенсивность размыва колебалась е пределах 0,17-24,5 мм/мпн, а величина коэффициента теплообмена от 880 до 3380 вт/м^ °С. Скачки теплообмена обусловлены локальными колебаниями скорости потоков на коротких отрезках русел и блокировкой теплообмена временно оседающим слоем частиц. Выявлена общая закономерность теплообмена: чем выше скорость потоков, тем кратковременное и локальнее аккумуляция наносов, т.е. вышо коэффициент теплообмена,и наоборот.

4.6. Локальное и региональное развитие термоэрозпи наиболее наглядно может быть представлено картографическим методом. Карте-

графическое отражение взаимодействий водннх потоков с мерзлыми грунтами проведено по двум основным показателям термоэрозии - интенсивности и глубине сезонного расчленения территории, основанных на учете дождевого стока." Талый сток поддается количественной оценке только при детальных режимных наблюдениях в очагах, но его невозможно учесть уже на некоторой локальной территории в силу специфики снегонакопления, определяемой не столько общей суммой зимних осадков, сколько морфологией оврагов и метелевым переносом снега. Их учет на региональном и зональном уровнях проявления процесса превращается в неразрешимую на сегодня проблему.

Локальное развитие термоэрозии охарактеризовано на примере фрапдента карты термоэрозионной опасности территории Бованенков-ского месторождения (Ямал), составленной В.К.Данько (1988) путем совмещения карт уклонов поверхности и распространения грунтов верхней толлш мерзлых пород (1:100000). Количественная оценка сделана им по>величина потенциальной интенсивности, размыва грунтов в зависимости от кинетической энергии потоков в предположении достаточности тепловой энергии стока- Анализируя положительные и отрицательные аспекты рассмотренной карты,нами предложены способы введения тепловой составляющей по количеству жидких осадков и фоновым температурам воздуха с оценкой фактической гидро-термкческой работы потоков на водосборах разного размера, где заметно сказывается влшшие их морфологии, экспозиции и различий в характере растительного покрова. Критерий выделения локального развития термоэрозии - пространственная стабильность основных климатических параметров - осадков и температур воздуха.

Региональное развитие термоэрозии охватывает участки территории, в пределах которых имеет место существенное изменение основных климатических параметров. Величина стока зависит от размеров и морфологии водосборов, которые не могут быть отражены картографически. в силу их малости. Температура вода временных водотоков, как установлено при полевых наблюдениях, обычно на 1-3° ниже фоновых температур воз,духа. Это позволяет оценить количество тепла, приходящего о жидкими осадками, по величине удельного гид-ротермкческого потенциала термоэрозионного стока, определенного как произведение месячной суммы жидких осадков на заниженные на 2° среДяекюлъские температуры воздуха. Предложенный показатель потенциальной активности термоэрозии, выраженный в дж/м2, хорошо согласуется с современны!,и представлениями о потенциале эрозии

(Косов и др., 1978; Зорина л др., 1987; Веретенникова и др., 1988). Для количественной оценки развития термоэрозии в пределах любого района криолитозонн нами введено понятие эталонного водосбора на основе известных сведений о взаимосвязи основных геолого-геоморфологических и гидрологических параметров водосборных воронок (Термоэрозия..., 1982). Эталонный водосбор представляет собой воронку в .виде сектсра с центральным углом 120° и радиусом 60-80 м, заложенную в тонких шлеватых песках. На такта водосборах происходит полная реализация гидротермического потенциала стока в виде различного по толщине слоя термической дезинтеграции грунта. По этому показателю рассчитаны величина энергии сноса для участков с разным потенциалом и максимальная глубина сезонного врезания потоков в различные по составу грунты. Изложенная идея реализована в работе в виде схем регионального развития термоэрозии на примере Ямала, где показаны грунтовые и климатические условия протекания процесса и дано районирование территории по потенциальной глубине сезонного расчленения. Разработанный подход применен для оценки развития овражной термоэрозии в криолитозснс.

4.7. Зональность термоэрозии выявлена на основе анализа мелкомасштабной (1:35 млн) схемы районирования территории криолито-301ГЫ, построенной по величин о удельного гидротермического потенциала стока. Отличие от регионального уровня проявления процесса, заключается в том, что картографически в мелеем маештабо невозможно показать различия в грунтсБых условиях, которые отражены з соответствующих таблицах к схемо. На схеме выделено 9 районов по величине гидротермического потенциала стока, который изменяется от менее 0,5-1.0е дк/м2 на Арктическом поборежьи до I6-I06 дк/ы2 в южных районах криолитозоны. Составленная схема характеризует различия в энергетике процесса по площади и, следовательно, в его активности. Количественная оценка потенциальной активности термоэрозии сделана для каждого из 9 районов в виде двух показателей - максимальной потенциальной глубины сезонного расчленения территории в разных по размыЕаемости грунтах (0,8-13,4 м) п скорости врезания водных потоков в мерзлые массивы на эталонных водосборах (0,03-1,82 м/час) в зависимости от заданной интенсивности жидких осадков.

Развитие овражной термоэрозии в криолитозоне характеризуется разной потенциальной активностью процесса, которая носит зональ-

Схема районирования крислитозоны по величине пщротерлическсго потенциала термоэрозш. Цифрами I, 2...9 показали номера районов о величиной потенциала, соответственно: 0,5-1-2-4-

-6-8-10-12-16-ТО6 дк/м2; линиями: а граница криолитэзокы......граница сплошного расп -

рсстранения многолетнемерзлых пород; штриховкой - районы преимущественного развития неразвд-ваемых скальных пород

кый характер. Зональность наиболее отчетливо проявляется на Арктическом побережъи России, не нарушается при движении вглубь территории за счет влияния горных стран, контгаенталькости климата и изменения состояния отюголетнемерзлмх пород. Снижение площади, занимаемой мерзлыми толщами от сплошного до прерывистого и островного, уменьшает вероятность реализация гидрстермичесг.ого потенциала стока до нуля к южным границам ириолитезоны. Поэтому наксималь-ная потенциальная активность проявления ОЕражнсй термоэрозии имеет место з районах, расположенных близ границы сплошного развития многолетнемерзлых пород, что подтверждается данными полевых наблюдений.

Заключение

Исследование проблемы водно-теплозого взаимодействия эродирующих потоков с многолетнемерзлыми дисперсными породами позволяет сделать следующие выводы.

1. Разработанная шкала масштабных уровней проявления овражной термоэрозни необходима для изучения в определенных пространственных пределах и временных интервалах любых по масштабу проявлений процесса - от точечных деструктивных эффектов в отдельных частицах мерзлого грунта до массового катастрофического роста оврагов з пределах криолитозены. С помощью этой шкалы установлено снижение темпа-термоэрозии на каждом последующем более высоком уровне за счет действия все большего числа природных факторов, препятствующих прямому контакту эродирующих потоков с мерзлыми породами.

2. Обширная фактологическая база водно-теплового исследования термозрозил впервые позволила поставить и решить комплекс взаимосвязанных задач по изучению гвдротермии процесса.

На основе сформулированного нами принципа термодрозионного экстремума при исследовании режима, структуры и свойств термоэрозионного стока определены количественные пороговые значения основных параметров процесса: критические уклоны русел (1,5° и 4,5°), температуры воды (2,4° и 8,0°), расхода потоков (1,0 и 12,5 л/с), скорости (0,22 и 0,73 м/с), мутность (100 и 450 г/л), теплопотери (10 и 419 кцж/с). Введение понятия гидротермического потенциала термоэрезионного стока как меры активности процесса обеспечило возможность количественных оценок и сравнимости любых в тепловом отношении потоков по эталонному значению потенциала (10 квт). Разработка модели гермоэрезии с контролирующим развитие процесса па-

раметрои д Т позволила уменьшить число возможных взаимодействий водных потоков с мерзлыми грунтами до 16 - два из них определяют взрывной характер возникновения и катастрофический рост оврагов.

При решении этих и ряда других.задач выявлены следующие главные закономерности гидротермического взаимодействия эродирующего стока с многолетнемерзлыми дисперсными породами:

- установленная статистически гиперболическая связь основных параметров водных потоков в устьевых створах оврагов проявляется в том, что при критических расходах потоков более I л/с температура воды не превышает 2,4°, а при расходах менее I л/с она может составлять 20° и более за счет прогрева наносонесущих потоков солнечной радиацией в расширенных частях русел;

- наиболее активное протекание термоэрозии наблюдается в зоне теплонотерь, длина которой в овражных руслах пропорциональна температуре воды и расходу потоков при критических значениях уклонов русел, превышавших 4,5°;

- выявленная избирательность врезания водных потоков в мерзлые массивы грунта определяется состоянием эродирующих потоков -локальной или полной гидротермической активности стока; в первом случае врезание приурочено к вершинам оврагов, во втором - растянуто по всей длине русел, закономерно уменьшаясь к устью в соответствии с падением температуры вода;

- экстремальный рост оврагов при средних погодных условиях происходит в первые же годы их возникновения за счет существования в местах их зарождения максимального гидротермического потенциала стока, величина которого прогрессивно снижается при смещении' вершин к линии водоразделов.

3. Механизм термоэрозии разработан на основе сформулированного нами принципа физического единства гвдротерыического разрушения мерзлых пород. Тепловой (осциляционно-эмиссионный) механизм дезинтеграции контактирующего с водой элементарного слоя мерзлых несвязных грунтов и динамический (ротационно-попятный) механизм удаления разрушаемого грунта за пределы растущей формы являются результатом одновременно протекающих процессов энергомассообмена между водными потоками и мерзлыми породами. Сущность термоэрозии заключается в единстве тепловой и механической сторон протекания процесса - в термогидромеханическом разъедании мерзлых толщ водными потоками. Одновременность, всех 4 механизмов термоэрозии приводит к возникновению строго определенных'форм рельефа, отражаю-

щих внешнюю структуру эродирующих потоков. Водные потоки, находясь в состоянии динамического равновесия с мерзлыми породами, обеспечивают закономерное циклическое формирование термоэрозионных врезов - узких, извилистых в плане и по вертикали щелей, рассекающих мерзлые пассивы и приводящих к потере устойчивости прилегающих участков территории.

4. Пространственно-временное развитие овражной термоэрозии протекает за счет парагенетического изменения термоэрозионных врезов на общем доминирующем фоне, эрозионного разрушения мерзлых грунтов, когда их оттаивание постоянно опережает размыв. При возникновении критического термоэрозионного стока тепловой механизм процесса срабатывает только после удаления талого слоя, что приводит к катастрофическому врезанию водных потоков в мерзлые массивы при значительной величине гидротермического потенциала. Катастрофический термоэрозионный размыв, возникающий на фоне вялотекущей эрозш, проявляется в пределах отдельных оврагов на локальном, региональном и зональном уровнях в виде асинхронных вспышек активности, которые, подчиняясь географической зональности и усиливаясь к югу, носят избирательный, блуждающий по площади криолито'зоны характер.

Изложенные позиции приводят к выводу о чрезвычайно сложной, геоэнергетической природе процесса овражной ториоэрозии, которая, представляя собой специфическую часть единого процесса эрозии, обусловлена бесконечным разнообразием непрерывно изменяющихся во времени условий взаимодействия мерзлых пород и временных водных потоков в криолитозоне.

Результаты научных исследований, изложенные в диссертации, отражены в 32 научных отчетах ВСЕГШГЕО и ПНИИИС, а также опубликованы в следующих работах:

1. Исследование овражной термоэрозии в Чарской котловине (зона БАМ) // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. М.: МГУ, 1981, с.234-236.

2. Особенности термоэрозии в Чарсхой котловине (зона БАМ) // Инженерно-геологические и гидрогеологические условия территории, прилегающей к трассе БАМа. Л.: ВСЕГЕИ, 1982, с.84-92.

3. Основа прогноза овражной термоэрозии // Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера. М.: ВСЕГИНГЕО, 1982, с.142.

.4. Особенности береговой зоны Чарского палеоозера в связи

с развитием терыоэрозии // Изучение и прогноз криогенных физико-геологических процессов. М.: ВСЕГИНГЕО, 1984, с.47-54 (соавтор Г.Ф.Гдавис).

5. Режим овражной термоэрозни // Проблемы геокриологии Забайкалья. Чита: Читинский филиал IX) СССР, 1984, с.82-84.

6. Влияние снежного покрова на некоторые криогенные процессы // Материалы гляциологических исследований, вып.56, М,, 1986,

•с. 125-123.

7. Развитие и режим термсэрозии в зоне БАМ // Формирование мерзлых пород и прогноз криогенных процессов. М.: Наука, 1986, с.138-142.

8. Исследование вод сезонноталого слоя и формирование нале-' дей в Чарокой котловине // Там же, с.142-147.

9. Роль подземных льдов в развитии термоэрозии // Материалы гляциологических исследований, вып.59, М., 1987, с.179-182.

10. Структура опасных геологических процессов в связи с оптимизацией инженерных изысканий в строительстве // Проблемы изучения опасных геологических процессов. М., 1988, с.3-15 (соавтор В.Ф.Гракович).

11. Методика изучения я прогноза экзогенных геологических процессов. М.: Недра, 1988, 216 с (соавторы А.И.Шеко, С.Е.Гречи-щев и др.).

12» Льдообразование в процессе развития овражной термоэрозии // Материалы гляциологических исследований, вып.64, М., 1938, с.53-58.

13. Водный резким грунтов сезонноталого слоя цритрассовой полосы БАМ // Проблемы природопользования в Забайкалье. Чита: Читинский филиал ГО СССР, 1989, с.9-13.

14. Водный баланс овражной термоэрозии // Мерзлые породы и криогенные процессы. М.: Наука, 1391, с.94-102.

15." Закономерности гидротермического взаимодействия водных потоков с мерзлыми трунтами // Денудация в криолитозенэ. М.; Наука, 1991, с.62-73.

16. Специфика витаивания подземных льдов в процессе развития овражной термозрозии // Там же, с.73-82.

,'17. Эмиссионный механизм термозрозии в песках / Тезисы докладов. 29 Международный геологический конгресс. Киото, Япония, 1992, том 3, раздел 3 (на ангд.яз.).

18. Механизм наледеобразования в терМоэрозионных оврагах

// Материалы гляциологических исследований, вып.77, М., 1993, с.169-173.

19. Осциляциояные эффекты при разрушении льдосодержащих грунтов как необходимое условие развития термоэрозии // Материалы гляциологических исследований, вып.79, М., 1994, с.144-148.

20. Эмиссионный механизм разрушения льдосодержащего грунта в процессе развития термоэрозвд // Там же, с. 148-151.

21. Районирование криолитозоны России по активности проявления овражной термоэрозии // Тезисы докладов научного совета по криологии Земли "Эволюционные геокриологические процессы в Арктических регионах и проблемы глобальных изменений природной среда

и климата на территории криолитозоны". Пущино, 1995, с.62-63.

22. Уровни организации и развития криогенных процессов рель-ефообразования // Там же, с.77-78.

23. Районирование криолитозоны России по активности проявления овражной термоэрозии // Экологические аспекты теоретической

и прикладной геоморфологии. Материалы международной конференции "Ш Щукинские чтения. Москва, 16-18 мая 1995 г." М., 1995,.с.246-248.

24. Физика и география овражной термоэрозии // Там же, с.292-

293.

Ротапринт ПШШИС зак.26-95 тир.100