Многолетнемерзлые горные породы занимают около 25 % территории всей земной суши. Особенно они распространены в северном полушарии. Территория нашей страны примерно на 60% представлена площадью с наличием многолетнемерзлых пород. Это районы крупнейшего строительства в настоящем и, особенно в будущем, поэтому изучение многолетней мерзлоты и особенно гидрогеологических условий этих районов имеет огромное значение.
Мерзлота, наблюдаемая на поверхности земной коры, подразделяется на три основных разновидности: кратковременная, сезонная и многолетняя (существует более 100 лет). Многолетнемерзлые породы составляют криолитозону – часть криосферы Земли (криос – холод).
Многолетнемерзлые горные породы – это породы, содержащие в порах, трещинах, пустотах лед и имеющие отрицательную или нулевую температуру, сохраняющуюся в течение многих лет или веков. Они располагаются в определенных климатических условиях, для которых характерны: отрицательная среднегодовая температура воздуха, сухая холодная и продолжительная зима, короткое сравнительно теплое лето, малое количество осадков (150-400 мм), из которых на зимние приходится 50мм. Эти климатические особенности являются малоблагоприятными для формирования и питания подземных вод всей криолитозоны.
Мерзлоту обычно подразделяют на сплошную, таликовую и островную.
Реки в области многолетней мерзлоты зимой часто промерзают до дна за счет малого расхода, а в летнее время он сильно увеличивается. Неглубокие подземные воды периодически промерзают, поэтому для водоснабжения необходимо использовать подземные воды, залегающие под мерзлотой или в многолетних надмерзлотных таликах. Источники здесь своеобразны, многие из них функционируют в течение определенных сезонов, часто меняют место выхода (мигрируют), образуют бугры и наледи. Но имеются и сравнительно постоянные источники с большим дебитом и даже повышенными температурами.
При горных работах мерзлота играет двоякую роль; с одной стороны затрудняет ведение работ, с другой облегчает, так как в некоторых случаях позволяет вести проходку горных выработок без крепления. При бурении вода в скважинах замерзает и захватывает буровую колонну, поэтому для промывки иногда используют нагретую воду или рассолы. Накапливается опыт строительства в криолитозоне, чему примером служит уникальный город Норильск, а также приполярные города Западной Сибири (Салехард, Лабытнанги, Уренгой, Надым и др.)
На происхождение мерзлоты существуют различные взгляды:
Одни ученые считают ее продуктом современных суровых климатических условий, другие связывают с эпохами четвертичных оледенений. И.П. Герасимов и К.Н. Марков считают, что «ледниковые покровы и мерзлота – антагонисты». Напротив, П.Ф. Швецов указывает, что в районе Верхоянска, где материкового оледенения не было, мощность мерзлоты меньше, чем в Амдерме, где было покровное оледенение. Для окончательного решения этого вопроса необходимы дальнейшие тщательные исследования.
Мощность многолетнемерзлых пород колеблется в широких пределах (от нескольких десятков, до нескольких сотен метров) и возрастает с юга на север. По данным Г.Б. Острого, В.И. Баулина и других исследователей в Западной Сибири нижняя граница мерзлоты повторяет структурный план более глубоких горизонтов (рис.19).
В вертикальном разрезе области или района с многолетнемерзлыми породами выделяются:
Деятельный слой – слой максимального зимнего промерзания и летнего оттаивания. Мощность деятельного слоя в зависимости от характера слагающих его пород, их влажности, гранулометрического состава, географического положения и климата района, экспозиции склонов рельефа изменяются от нескольких см до 3-5 м.
Зона многолетнемерзлых пород - часто с таликами и трещинами, с которыми бывают связаны подземные воды.
Зона талых пород - в проницаемых разностях которых залегают и движутся подземные воды.
Подземным водам области мерзлоты посвящены работы М.И. Сумгина, Н.И. Толстихина, А.И. Ефимова и многих других.
Особое место занимает работа Н.И. Толстихина, в которой всесторонне рассмотрены вопросы гидрогеологии мерзлой зоны, в частности дана классификация подземных вод, согласно которой выделяются 3 класса вод: надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные, в каждом из них имеются подклассы.
Рис. 19. Изменение толщины слоя мерзлоты в зависимости от геоструктурных условий (на примере Западной Сибири, по Г. Б. Острому).