Якутия является крупнейшим северо-восточным регионом Российской Федерации. Общая площадь республики равна 3103,2 тыс. км2 (1/5 территории РФ). Географическое положение обуславливает климатические условия Якутии. Более 40 % территории Якутии расположено за полярным кругом. Протяжённость морской линии берега составляет более 4,5 тыс. км.
Практически на всей территории республики распространены многолетнемерзлые грунты (ММГ). Многолетнемерзлые грунты отсутствуют лишь на 4 % территории Южной Якутии [1].
Сотрудниками Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН А.Н. Федоровым, А.А. Шестаковой, Я.И. Торговкиным, Н.Ф. Васильевым, П.Я. Константиновым, В.В. Самсоновой, С.В. Калиничевой, Н.И. Башариным подготовлена цифровая комплексная карта «Мерзлотно-ландшафтная карта Республики Саха (Якутия)» [1], которая отражает те или иные изменения и современное состояние мерзлотных ландшафтов республики по определенным их слоям. По-своему уникальная карта для работы специалистов инженерной геологии, мерзлотоведов и др. специалистов, где представлены разные тематики мерзлотных ландшафтов Якутии. В данном исследовании проанализированы из этой карты два слоя, это мощность деятельного слоя Якутии и температура грунтов всей территории Якутии.
Проблемой изучения деятельного слоя вечной мерзлоты занимались такие российские исследователи, как В.А. Исаков [2], Г.В. Малкова [3], А.В. Павлов, Г.Ф. Гравис [4], С.О. Разумов [5]. Из якутских мерзлотоведов – А.Н. Федоров, Р.Р. Гаврильев [6], Я.И. Торговкин, Н.Ф. Васильев [7, 8], Р.Н. Иванова вместе с японскими коллегами Т. Хийама, И. Иджима и др. [9].
Температура грунтов зависит от многих факторов. Важнейшим фактором, влияющим на температуру грунтов, является географическое расположение района, которое диктует климатические условия, в первую очередь среднегодовые показатели температуры наружного воздуха. Среднегодовая температура наружного воздуха равна: г. Алдан (Южная Якутия) – (-5,4 °), Якутск (Центральная Якутия) – (-9,1 °), Верхоянск (Арктическая зона) – (-14,7 °) [10].
Цель исследования: на основе цифровой мерзлотно-ландшафтной карты Республики Саха (Якутия) [1] и ее тематических слоев выполнить анализ состояния температуры грунтов и мощности деятельного слоя Якутии.
Материалы и методы исследования
Материалом данного исследования является цифровая мерзлотно-ландшафтная карта Республики Саха (Якутия), их картографические слои состояния температуры грунтов и мощности деятельного слоя Якутии (рисунок) [1]. Методами исследования явились аналитический, картографический, компьютерно-цифровой, сравнительно-сопоставительный способ изучения данной цифровой карты.
Цифровая мерзлотно-ландшафтная карта Республики Саха (Якутия) [1]
Результаты исследования и их обсуждение
От величины температуры наружного воздуха зависит не только общая температура грунтов, но и величина деятельного слоя, т.е. слоя грунта, который оттаивает в теплое время года. Главным фактором условия и формирования грунтов в Якутии является их температура на глубине слоя годовых колебаний [11].
Слой карты температуры грунта (цифровая карта температуры грунтов на глубине слоя годовых колебаний Мерзлотно-ландшафтной карты Республики Саха (Якутия) (рисунок). Этот слой, который лежит ниже деятельного слоя (ниже слоя сезонного оттаивания), в котором грунты сохраняют отрицательные температуры, но в которых температуры меняются в течение года (сезонные колебания температуры) в зависимости от времени года, расположения по глубине, вида грунтов, расположения участка на территории и др. факторов. Исследование грунтов данного слоя является важной задачей инженерной геологии в Якутии, так как большинство зданий и сооружений на территории республики строятся по принципу, где многолетнемерзлые грунты используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения в виде свайного поля [2]. В данной статье «температура грунтов на глубине слоя сезонных колебаний» это – температура грунтов на глубине, ниже которой не подвергается сезонным колебаниям. В инженерной геологии температура грунтов, которая ниже не меняется или на малую величину, называется температурой нулевых амплитуд [2]. Ниже глубины, где температура грунтов основания практически не меняется в течение годового цикла, можно отнести к третьей группе грунтов основания.
Инженерные скважины для исследования грунтов основания зданий и сооружений бурятся на глубину 10 м и более, так как в большинстве случаев фундаменты зданий и сооружений, так называемые сваи, устанавливаются до 10 м, кроме отдельных случаев, когда бурятся скважины глубокого заложения при больших нагрузках на фундаменты и при слабых грунтах.
Для анализа температуры грунтов на глубине слоя годовых колебаний (слоя грунтов, лежащих ниже слоя сезонного оттаивания) рассмотрим слой цифровой карты температуры грунтов на глубине слоя годовых колебаний Мерзлотно-ландшафтной карты Республики Саха (Якутия) (рисунок).
Данные цифровой карты представляют информацию о температурах грунтов и мощности протаивания на всей территории Якутии. Карта показывает расположение территорий с различными температурами и мощности протаивания грунтов и их числовые значения. Температура грунтов на глубине слоя годовых колебаний колеблется в диапазоне от +1 до -12 градусов. На небольшой территории Южной Якутии расположены грунты с температурой +1 и занимают не более 4 % всей территории республики (таблица).
Температура грунтов ниже деятельного слоя и его мощность в Якутии
|
№ |
Районы распространения в Якутии |
Географическая широта, в градусах, с.ш. |
Среднегодовая температура воздуха, в градусах, С |
Температура грунтов на глубине слоя годовых колебаний, в градусах, °С |
Мощность деятельного слоя, в метрах |
|
1 |
Северное побережье, за полярным кругом, горные области Якутии |
65–75 |
– 14,7 |
от -5 до -12 |
0,5 – 2 |
|
2 |
Равнинная средняя часть Якутии |
60–65 |
– 9,1 |
от -2 до -4 |
2 – 3 |
|
3 |
Южная Якутия |
55–60 |
– 5,4 |
от +1 до -2 |
3–3,5 |
1. Грунты с наибольшими низкими отрицательными температурами расположены вдоль северного побережья Якутии с протяжённостью морской береговой линии больше 4,5 тыс. км, за полярным кругом, а грунты с более высокими температурами грунтов – южнее (рисунок). Низкие отрицательные температуры грунтов расположены также под водными объектами, такими как р. Лена, это можно объяснить физическим свойством воды, которая является хорошим теплоизолятором. Так под зданиями и сооружениями, где в проветриваемом подполье стоит вода, сохраняются низкие температуры грунтов, отсутствует чаша протаивания, но более интенсивно развиваются разрушительные морозобойные процессы фундаментов. В районах с горными массивами также наблюдаем грунты с низкими отрицательными температурами грунтов. Данное явление также довольно распространенное, наблюдаемое даже в теплых регионах, где снег на вершинах гор не тает целый год.
2. Грунты со средними (от -4 °C до -2 °C) отрицательными температурами расположены в большинстве случаев в равнинной части Якутии.
3. Грунты с более высокими температурами расположены в Южной Якутии это от -2 °C до +1 °С.
Рассматривая данный слой цифровой карты мерзлотно-ландшафтной карты Республики Саха (Якутия) (рисунок), можно сделать следующие выводы.
Температура грунтов на глубине слоя годовых колебаний зависит:
1. От географического расположения района, т.е. от среднегодовой температуры наружного воздуха: чем южнее, тем данная температура выше. Географическое положение диктует среднегодовую температуру наружного воздуха, чем выше среднегодовая температура наружного воздуха, тем выше температура грунтов на глубине слоя годовых колебаний;
2. От вида ландшафта местности. При одинаковых географических условиях температура грунтов выше на равнинных участках и ниже в горах и под водными объектами;
3. По деятельному слою. От величины температуры наружного воздуха зависит не только общая температура грунтов, а также и величина деятельного слоя, т.е. слоя грунта, которая оттаивает в теплое время года – толщина слоя сезонного оттаивания грунтов.
Для анализа температуры грунтов деятельного слоя, т.е. верхнего слоя грунтов, который оттаивает за теплый период года (слой сезонного оттаивания), рассмотрим слой цифровой карты мощности деятельного слоя (рисунок).
Как указано в работе [1], «мощность деятельного слоя состоит из сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоев и является одной из важных и динамичных характеристик криолитозоны. Значения мощности деятельного слоя связаны с изучением динамики ландшафтов в многолетней мерзлоте. Увеличение и резкое уменьшение их параметров может привести к большим структурным изменениям подстилающего ландшафта. Запасы общей влаги, динамика и изменение ландшафтов, активизация криогенных процессов, а также и другие сопутствующие особенности ландшафтов в первую очередь зависят от изменения мощности деятельного слоя многолетней мерзлоты».
Мощность деятельного слоя на территории Якутии меняется в диапазоне от 0,5 м до 3,5 м, в верхней поверхности земли. И она зависит от климатических условий: чем южнее, тем мощность деятельного слоя больше. Слой цифровой карты мощности деятельного слоя (рисунок) дает следующую информацию (таблица):
1. Северное побережье (между 70 ° и 75 °с.ш.), где величина колеблется от 0,5 до 1 м (36 % всей территории Якутии).
2. Территория республики, расположенная на 65–70 ° с.ш. до северного побережья Якутии, расположена в зоне, где толщина деятельного слоя колеблется от 1,5 до 2 м. На территории этой зоны и северного побережья расположены почти все улусы, входящие в перечень 11 арктических улусов.
3. На территории между 60 ° и 65 ° с.ш. (средняя полоса Якутии) мощность деятельного слоя колеблется от 2 до 3 м.
4. Зона с наибольшей величиной деятельного слоя расположена в Южной Якутии (часть занимает и Центральную Якутию) на 55–60 ° с.ш., где толщина деятельного слоя колеблется в пределах 3–3,5 м (всего 4 % территории Якутии). Но и в этой зоне расположены также и локальные участки, имеющие величину деятельного слоя 1–1,5 м.
5. Мощность деятельного слоя также зависит и от ландшафта и рельефа участка.
Выше приведены преобладающие величины деятельного слоя. На самом деле в каждой зоне встречаются участки территорий, где величина деятельного слоя колеблется в ту или иную сторону в зависимости от рельефа, состава грунтов, их теплотехнических характеристик и др. факторов.
Заключение
Данная работа позволяет сделать следующие общие выводы.
1. Величина деятельного слоя и температура грунтов на глубине слоя годовых колебаний зависят от географического положения района, которое в свою очередь обуславливает температурный режим наружного воздуха. Основным показателем температуры наружного воздуха в годовом цикле является среднегодовая температура наружного воздуха: чем южнее расположена территория, тем среднегодовая температура наружного воздуха выше и тем больше величина деятельного слоя, которая в Якутии колеблется от 0,5 до 3,5 м. В инженерной геологии величина слоя сезонного оттаивания рассчитывается в зависимости от температуры замерзания грунта, которая, в свою очередь, зависит от вида грунта, его влажности, засоленности, многолетних средних положительных температур наружного воздуха и других факторов.
2. Если условно поделить территорию Якутии на 4 зоны: 1) Северное побережье (70– 75 ° с.ш.), 2) Северные территории (65–69 ° с.ш.), 3) Средняя зона (60–65 ° с.ш.) и 4) Южная зона (55–60 ° с.ш.) – то заметим, что температура грунтов на глубине слоя годовых колебаний повышается по мере увеличения среднегодовой температуры, которая в свою очередь зависит от географического положения.
3. Величина деятельного слоя и температура грунтов на глубине годовых колебаний зависит от ландшафтов и рельефа местности.
4. Главное отличие между деятельным слоем и грунтом, лежащим ниже деятельного слоя на глубине годовых колебаний, заключается в том, что в деятельном слое в теплое время года температура грунтов всегда выше нуля, а в слое грунтов годовых колебаний температуры всегда ниже нуля на северном побережье которая может достигать и -12º.
5. Схожесть этих слоев в том, что величина деятельного слоя и температура грунтов на глубине годовых колебаний зависят от географического расположения по широте, т.е. от среднегодовой температуры наружного воздуха.