что такое криогенная зона
Что такое криогенная зона
Криолитозона Земли определяется как зона проявления особого типа осадочного породообразования. Она состоит из областей наземного оледенения и распространения мерзлых горных пород на суше, а также долговременных многолетних и сезонных ледовых покровов на море, т.е. наземного, подземного и морского оледенения. Во всех областях криолитозоны как на суше, так и в море, формируются своеобразные отложения, специфика литогенеза которых определяется криогенными факторами.
Современная гляциология включает в сферу своих интересов не только ледники, но вообще все типы природных льдов: наземные, подземные, морские, атмосферные, а также снежный покров. Поэтому при гляциологическом районировании Земли выделяются области распространения снежного покрова, многолетней мерзлоты (прерывистой и сплошной), морских льдов (сезонных и постоянных), ледяной пояс (ледники) и пояс атмосферных льдов.
Широко принятое определение криолитозоны как зоны распространения многолетнемерзлых горных пород основывается на отмеченном выше отождествлении понятий «литосфера» и «литозона». В этом случае литозона понимается не как зона проявления особого типа осадочного процесса, а как зона распространения определенного типа горных пород, в частности твердомерзлых. Вместе с тем в ряде работ, авторы которых придерживаются такого понимания объема криолитозоны, говорится о специфике литогенеза в ее пределах [ Попов, 1967 и др.]. При этом подчеркивается, что она определяется исключительно подземным льдообразованием как в неуплотненных влагонасыщенных осадках, так и в плотных осадочных, магматических и метаморфических породах. Отождествление зоны распространения мерзлых горных пород и криолитозоны делает малооправданной целесообразность введения последнего термина.
Отнесение к криолитозоне областей развития ледников и мерзлых горных пород, т.е. наземного и подземного оледенения, оправдывает правомерность ее особого выделения. Однако полный объем криолитозоны шире, ибо ледники, например, определяют своеобразие осадочного процесса не только на суше, но и в море, на существенно больших пространствах. Помимо ледникового льда на процесс формирования осадочных пород в море оказывают существенное воздействие морские, припайные и выносимые в море речные льды.
Определяя криолитозону как зону проявления особого процесса осадочного породообразования, рассмотрим влияние на него различных типов льдов. Наземные ледники, как известно, формируют комплекс весьма своеобразных отложений: моренных, флювиогляциальных, лимногляциальных. Главенствующая роль льда в осадочном породообразовании здесь очевидна. Роль подземного льдообразования в формировании осадочных пород менее изучена и раскрыта. Переходя в мерзлое состояние, рыхлые осадки превращаются в своеобразную льдонасыщенную отрицательно-температурную горную породу, обладающую литологическими признаками, отличающими ее от пород аналогичного происхождения в иных зонах литогенеза: гумидной и аридной. Формируются толщи льдонасыщенных отложений, содержащие относительно равномерно распределенный по разрезу текстурно-структурный подземный лед и его скопления в виде линз, прослоев, вертикальных жил. В зависимости от способа промерзания, соотношения его с процессом осадконакопления и литологического состава осадков их последующая льдистость неодинакова; различным является и тип мерзлотной текстуры и структуры.
В свете изложенных принципов выделения криолитозоны Земли как зоны особого осадочного породообразования она может быть подразделена наследующие области: I. Криолитозона суши: 1) области с наземным оледенением: а) сплошным (покровным), б) разобщенным (сетчатым, горным); 2) области с подземным оледенением: а) сплошным, б) прерывистым. II. Криолитозона моря: 1) области морского оледенения с многолетним покровом плавучих льдов: а) сплошных, б) разобщенных; 2) области с многолетними отрицательно-температурными донными грунтами: а) мерзлыми, б) пластичными и жидкими (засоленными).
На схеме криолитозона моря подразделена по типам плавучих льдов. В пределах суши показаны также области максимального распространения криолитозоны в плейстоцене.
Каждая из выделенных подзон и областей криолитозоны в пространстве частично накладывается одна на другую, образуя сложные переходные подзоны и области. Например, ледники из областей с наземным оледенением суши внедряются в криолитозону моря в виде шельфовых ледников, в этих районах возможно выделение криолитозоны моря с поверхностным оледенением. На суше области с наземным оледенением могут накладываться на области с подземным оледенением, если под ледниками установлены мерзлые породы. В криолитозоне моря области распространения многолетних плавучих льдов могут сочетаться с областями распространения многолетних отрицательно-температурных грунтов (твердомерзлых и пластичных), но эти области могут быть пространственно разобщены.
14 млн. км 2 ) и Гренландии (1,8 млн. км 2 ). На долю всех остальных ледников Земли приходится
Область подземного оледенения вне пределов наземных ледников имеет площадь
Криолитозона моря является неотъемлемой составной частью криолитозоны Земли в целом. Еще в 1933 г. В.И. Вернадский к выделенной им «области охлаждения» Земли помимо мерзлых зон суши относил и обширные части Мирового океана. Представляется парадоксальным, что при выделении криолитозоны Земли в нее не включается даже Полярный бассейн с его мощным и в центральной части сплошным покровом многолетних льдов, длительно существующих даже в геологическом масштабе времени. Это дает основание говорить о морском типе оледенения Земли. Ссылки на то, что в море не проявляется климатическая зональность осадочного процесса и что плавучие льды не оказывают существенного воздействия на литогенез, не придают морским осадкам специфических черт, заметно отличающих их от морских осадков иных зон литогенеза, вызывают возражения. Криогенная специфика литогенеза в ледовитых полярных бассейнах проявляется очень ярко, здесь формируются своеобразные типы ледниково- и ледово-морских отложений.
Поверхностные льды водоемов образуют многолетние круглогодичные сплошные и сезонно разобщенные покровы, а также сезонные покровы различной временной продолжительности. В составе их участвуют многолетние паковые, однолетние льды, льды морского припая и выносимые в море глетчерные (айсберги) и речные льды. Ежегодно морскими льдами покрывается
Рассматривая специфику литогенеза в полярных морях и океанах, нельзя не отметить, что в них выносится практически весь обломочный материал, содержащийся в крупнейших современных ледниковых покровах, и прежде всего, в ледниках Антарктиды и Гренландии. По существующим оценкам из 25 млрд. т вещества, сносимого с суши в море, 1,5 млрд. т приходится на ледники и айсберги. Эта цифра весьма существенна. Она примерно соответствует количеству эолового материала, выносимого в море и в 3 раза превышает количество обломочного материала, поступающего в море за счет абразии берегов. В этих оценках не учитывается обломочный материал, выносимый в море припайными и речными льдами, а его роль также весьма существенная, судя по содержанию крупных каменных обломков в осадках ледовитых морей, в которых айсберги отсутствуют (например, Охотское, Белое море и др.). Вероятно, аналогичная картина была свойственна прошлым этапам геологического развития Земли в плейстоцене, и это необходимо учитывать при палеогеографических реконструкциях.
Таблица. Мощность криолитозоны в различных районах Северного полушария по результатам измерений. Данные различных авторов, обобщены И.А. Некрасовым [ 1971 ] с добавлениями и уточнениями автора
Криогенные ( мерзлотные ) процессы и явления
Криогенные (мерзлотные) процессы и явления – это являются экзогенными геологическими процессами и явлениями, обусловленными, в первую очередь, сезонным или многолетним промерзанием и протаиванием горных пород/ грунтов. Наиболее важное практическое значение имеют:
Пучением называется неравномерное увеличение объема грунтов в процессе их промерзания. Оно происходит за счет расширения (
на 9 %) содержащейся в грунте воды при ее кристаллизации и в результате замерзания новых объемов воды, поступающих из талой зоны к фронту промерзания. Пучение наблюдается во всей области распространения сезонно – и многолетнемерзлых дисперсных пород. Различают пучение в закрытой (или замкнутой) и открытой системе. Пучение в закрытой системе, т.е. без подтока воды извне, как правило, не превышает первых процентов от глубины промерзающего слоя. При подтоке воды извне (в условиях открытой системы) вертикальное пучение грунтов значительно возрастает, достигая десятков процентов от глубины промерзания. В рельефе этот процесс выражается в виде бугров пучения различных размеров. Пучение может иметь сезонный (повторяющийся из года в год) или многолетний характер. В результате многолетнего пучения формируются крупные бугры, или скорее холмы (пинго, булгунняхи), диаметром до сотен метров и высотой до 30–40 м. Важной характеристикой пучения является его неравномерность, которая оценивается отношением разности вертикального перемещения двух точек поверхности к расстоянию между ними. С сезонными процессами пучения – осадки грунта связано вымораживание опор неглубокого заглубления, столбов и каменного материала в слое сезонного промерзания – протаивания.
Формирование морозобойных трещин происходит под действием температурных напряжений, возникающих в массиве мерзлых пород в результате их неравномерного сжатия в процессе охлаждении с поверхности. Согласно фактическим наблюдениям и теоретическим представлениям в однородных грунтах образуется система параллельных трещин, разбивающих массив на полосы примерно одинаковой ширины, а полосы разделяются поперечными трещинами на четырехугольные полигоны. Возникающий при этом полигональный микрорельеф пользуется широким распространением на территории криолитозоны. Наиболее распространены полигоны поперечником от 8 м до 20 м. Проникающая в трещины вода замерзает в них в виде ледяных клиновидных жил. Таким образом, морозобойные трещины в природных условиях играют большую роль в формировании крупных масс подземного льда. Подземный лед присутствует в многолетнемерзлых породах в виде породообразующего минерала (лед-цемент, прожилки и прослойки толщиной до первых сантиметров), крупных ледяных тел различной формы, размеров и происхождения. Среди залежеобразующих подземных льдов наибольшим распространением пользуются жильные, пластовые и линзообразные. На территории криолитозоны они встречаются повсеместно. Особенно известны отложения «ледового комплекса» в низовьях Яны, Индигирки и Колымы, где вертикальная мощность ледяных жил достигает 40–50 м, а их суммарный объем значительно превосходит объем вмещающих мерзлых пород. Залегание подземных льдов на небольшой глубине создает предпосылки для развития термокарста.
Термокарст — это образование провальнопросадочных форм микро- и мезорельефа в результате вытаивания подземных льдов (воронки, провальные ямы, западины, «блюдца», котловины). Термокарст — специфическое явление криолитозоны, с особыми, только ему присущими образованиями, например, полигональный бугристо-западинный микрорельеф, термокарстовые озера и др. Термокарст возникает под влиянием изменившихся условий теплообмена на поверхности земли, за которыми следуют увеличение глубины оттаивания вплоть уровня залегания подземного льда и просадка верхних оттаявших слоев. Образовавшиеся понижения заполняются водой, что, в свою очередь, приводит к значительному потеплению поверхности грунта. Если глубина сформировавшегося мелкого водоема превышает некоторую критическую для данных условий величину, процесс термокарста становится необратимым. Под достаточно крупными термокарстовыми озерами многолетнемерзлых пород (ММП) протаивают на всю мощность, т.е. образуются сквозные талики. В связи с наблюдаемым потеплением климата ожидается активизация термокарста. По некоторым оценкам, в Центральной Якутии к середине XXI столетия вероятность формирования термокарстовых озер возрастет в 3–5 раз. Хозяйственное освоение территорий сопровождается снятием растительного покрова, повышенным тепловыделением инженерных сооружений и другими факторами, способствующими активизации термокарста. При этом наибольшую опасность представляет потеря устойчивости инженерных сооружений вследствие неравномерных просадок оттаивающих грунтов основания. Данное обстоятельство необходимо учитывать при изысканиях под социально-бытовые и хозяйственные объекты криолитозоны, особо выделяя участки, на которых глубина оттаивания (с учетом динамики климата и техногенных воздействий) может превысить глубину залегания подземных льдов и высокольдистых грунтов.
Наледи представляют собой ледяные образования, формирующиеся в зимнее время за счет многократного излияния на поверхность и послойного замерзания подземных, речных, озерных, а также хозяйственно-бытовых вод. Большинство наледи распространено на территории криолитозоны. Главной причиной их образования является рост гидростатического давления и сужение живого сечения потока поверхностных или подземных вод в процессе сезонного промерзания. Прорыв воды на поверхность снимает избыточное давление в водной системе, и излияние прекращается до тех пор, пока напор не возрастет до величины, превышающей прочность мерзлой кровли. Преобладающая часть наледи приурочена к речным долинам. В зависимости от генезиса принято различать наледи:
Самыми крупными являются наледи подземных вод и смешанного происхождения. В особый подтип выделяют гигантские наледи, или тарыны. Некоторые тарыны достигают огромных размеров. Например, площади многих наледей на Северо-востоке России измеряются десятками квадратных километров, а мощность льда достигает 8–10 м. Наледи серьезно препятствуют эксплуатации дорог, аэродромов и других сооружений.
Солифлюкция — это вязкопластичное смещение переувлажненных мелкодисперсных отложений на склонах в ходе оттаивания. Высокая влажность достигается в основном за счет вытаивания льда, содержащегося в породе. В процессе солифлюкции образуются такие формы рельефа, как «языки», потоки, полосы и террасы. Солифлюкционные террасы обычно имеют ширину до 100 м, высоту фронтального уступа около 1 м и протягиваются вдоль склона на десятки метров. Отдельные наиболее крупные террасы имеют протяженность 1000 м и более, а высота уступа доходит до 5 м. Солифлюкция создает большие сложности при строительстве и эксплуатации линейных сооружений (трубопроводы, автомобильные и железные дороги, линии электропередач) на склонах, а также при добыче полезных ископаемых в открытых карьерах. Все криогенные (мерзлотные) процессы развиваются не только под действием природных факторов. Очень часто они бывают вызваны или значительно интенсифицированы человеческой деятельностью.
Источники: Кудрявцев В.А. и др. Общее мерзлотоведение. – М., 1978; Основы геокриологии // Динамическая геокриология. – М., 2001. Часть 4; Природные опасности России // Том. Геокриологические опасности. – М., 2000.
Криогенная технология
Криогенная технология-разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты
ИА Neftegaz.RU. Технология разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты известна очень давно.
Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкие кислород, азот и аргон нужной чистоты.
При относительно высокой стоимости криогенные блоки очень надежны, просты в эксплуатации, обладают высокими техническими характеристиками и позволяют получать газы высокой чистоты в очень больших объемах, например, газообразный азот сверхвысокой чистоты (до 1 ppb), который не может быть получен в адсорбционных и мембранных системах.
В то же время криогенные блоки являются экономически эффективными при долгосрочной эксплуатации за счет низкого удельного энергопотребления и низких эксплуатационных затрат.
Широкое применение нержавеющей стали, особенно для трубопроводов и клапанов, позволяет использовать простые и надежные сварные соединения, а также обеспечивает противокоррозионную стойкость. Кроме этого, само по себе сварные соединения нержавеющих трубопроводов как внутри холодного блока, так и в не его, обеспечивают долговечную плотность и не допускают протечек.
Основными техническими преимуществами криогенного способа являются гарантированная высокая чистота продукта при неизменном расходе, а также низкое удельное энергопотребление в течение всего срока эксплуатации.
Минимизация вращающихся и движущихся механизмов обеспечивает долгий ресурс работы криогенных установок.
При соблюдении проектных условий эксплуатации блока комплексной очистки (БКО) не требуется замена адсорбентов в течение всего срока службы установки.
Процесс генерации жидкого азота
Документ касается одной из животрепещущих проблем современной России. Запустив очередной этап освоения Арктики, государство в 2020 году выдало грандиозный пакет преференций для новых проектов в этом регионе. Но в тот же год в Норильске произошла одна из крупнейших промышленных аварий в истории российского Севера. Она показала, что цена освоения Арктики чрезвычайно высока не только с финансовой точки зрения, но и с позиции экологии, а, соответственно, репутации страны.
На фоне споров о причинах глобального потепления вопросы сохранения природы Арктики в процессе ее экономического развития, состояние инфраструктуры в Заполярье, а также предупреждение аварий на объектах в районах вечной мерзлоты вышли на первый план.
Две трети страны и минимум данных
В докладе подчеркивается, что криолитозона занимает 65% страны: «Это огромное по площади геологическое тело из горных пород различного состава и генезиса с отрицательной температурой. Одна часть находится в многолетнемерзлом состоянии и содержит лёд-цемент, тонкие ледяные прослои. Другая часть содержит не замерзающие растворы разнообразного химического состава. По площади криолитозона России больше таких стран как Канада, США или Китай». При этом данных о текущем состоянии вечной мерзлоты в России нет.
В Арктике мерзлота занимает 85% территории, ее глубина здесь достигает своих максимальных значений (до 1,5 км), а в среднем изменяется от 250 м до 400 м. В толщах вечной мерзлоты и под ней скрыта большая часть минерально-сырьевых ресурсов страны: золото, олово, ртуть, алмазы, нефть, газ. Независимо от способов и технологии добычи этих полезных ископаемых в мерзлоте происходят значительные геоэкологические изменения. В большинстве случаев они мало контролируемы, а потому опасны. Но до сих пор в России не существует ни одной государственной программы комплексного изучения вечной мерзлоты.
Собранные в прошлом веке данные о состоянии вечной мерзлоты сейчас совсем устарели. В текущем столетии ведомства не уделяли этой теме почти никакого внимания. Минприроды фактически не проводит работ мерзлотной направленности, регионального изучения в Арктике нет. Минстрой не ведет мониторинг градостроительных объектов, межвеждомственного обмена данных нет. Массивы инженерных изысканий скрыты за грифом «коммерческой тайны» и не доступны для экспертного и научного сообщества. Исследования ученых способны сформулировать лишь самые общие закономерности, поскольку экспериментальный потенциал весьма ограничен, делают выводы составители доклада.
Ни в одном федеральном законе нет упоминания о существовании в РФ вечной мерзлоты. Чтобы снизить природные риски и предотвратить экологические катастрофы, России нужны документы государственного уровня: «Концепции изучения вечной мерзлоты», федеральная программа «Криолитозона России» и закон «О вечной мерзлоте». Критически важным становится формирование наблюдательной сети мониторинга криолитозоны, делают выводы ученые.
Опасно не знать
Естественные процессы потепления усиливаются хозяйственной деятельностью: фундаменты зданий деформируются из-за криогенных процессов, серьезные проблемы возникают при строительстве железных и автомобильных дорог, вдоль магистральных трубопроводов происходит заболачивание и, как следствие, всплывание трубы. Изменение теплового режима мерзлоты и криогенные процессы, по некоторым подсчетам, оказываются причиной 23% отказа технических систем и 29% потерь добычи углеводородов. В целом испытывают деформации около 40% всех инженерных сооружений в криолитозоне, констатируют эксперты.
Авторы доклада подчеркивают, что при строительстве объектов на вечной мерзлоте важно: «Особое внимание уделять вопросам экологической безопасности и эксплуатационной надежности, мониторингу природной среды, условию безопасного хозяйствования. Это необходимо учитывать при разработке новых нормативных документов в данной области. Следует разработать, в том числе на базе современных ГИС технологий, национальную комплексную программу мониторинга состояния криолитозоны Российской Федерации, соответствующую коллективную базу данных и аналитический центр».
Геокриологическая карта СССР была составлена по материалам, полученным 30-50 лет назад. С того времени появились новые данные, особенно многочисленные и важные на арктическом шельфе, изменился ряд геологических представлений, достигнуты успехи в теории, методологии и методике геокриологических исследований. Новую геокриологическую карту России нужно составлять с учетом актуальной информации и на основе современных технологий.
Концепция полигонов
До настоящего времени всё внимание чиновников было сконцентрировано на инженерных объектах Заполярья, вопрос о мониторинге характеристик вечной мерзлоты даже не ставился. Но кумулятивный эффект потепления климата и техногенное воздействие начали приводить к крупным авариям и к увеличению риска природопользования.
Созданию системы мониторинга посвящена значительная часть доклада. Проанализирован опыт контроля в нефтегазовой сфере, на объектах крупного и жилищного строительства, а также ЖКХ арктических городов. В результате авторами разработана «Концепция изучения вечной мерзлоты», которая базируется на формировании сети стационаров и полигонов.
Сейчас в России действует ограниченное число геокриологических стационаров. Так в системе Минприроды функционирует всего 2 таких объекта в Арктике. Воркутинский опорный мерзлотно-гидрогеологический полигон (ведет государственный мониторинг состояния недр по Северо-Западному Федеральному округу) и геокриологический стационар Марре-Сале (оценивает Уральский Федеральный округ). Работают еще ряд профильных стационаров, но они не могут сформировать полную картину для всей страны.
Предполагается, что полигоны будут организованы по единому стандарту. Они должны обладать собственной наблюдательной сетью, состоящей из опорных наблюдательных инженерно-геокриологических и гидрогеологических скважин и площадок периодического обследования. Ожидается, что информация от всех источников изначально концентрируется в региональных аналитических центрах, а после ее обработки частично передается в федеральный центр. Не исключено, что в начальный период организации системы государственного мониторинга криолитозоны Арктики функции региональных центров могут исполнять профильные научные организации (с отдельным целевым финансированием и основным штатным составом). Это позволит наиболее качественно проводить анализ получаемой информации в период становления и развития мониторинговой системы.
Учитывается и бурение опорных скважин для изучения ледяных тел, позже эти скважины планируется перевести в режим мониторинговых наблюдений. Кроме того, предлагается организация мерзлотных станций в крупных городах и поселках, формирование мерзлотных инспекций, а также работа региональных центров проектирования защиты и реконструкции зданий и сооружений. Большие перспективы связываются с применением дистанционных методов исследований от беспилотных летательных аппаратов до высоко разрешающей спектрозональной космической съемки, а также до сети спутников для космического мониторинга вечной мерзлоты.
Снизить риски
Поэтапная реализации предлагаемой «Концепции создания федерального объединения по изучению, мониторингу и регулированию состояния вечной мерзлоты в Арктической зоне РФ» позволит на научной основе снизить риски возникновения экологически опасных ситуаций в Арктике, надеются эксперты.
Глава Минвостокразвития Алексей Чекунков, комментируя «Интерфаксу» итоги научно-исследовательской работы, отметил: «Эта работа, действительно, выявила слабые точки в изучении вечной мерзлоты в России. С главой Минприроды Александром Козловым мы детально обсуждали этот вопрос. Будем заниматься этой работой совместно с Минприроды, поскольку за экологию титульно отвечает министерство природных ресурсов и экологии. Совместными усилиями подготовим законопроект «О вечной мерзлоте», и внесем его в правительство в этом году».
Криогенные процессы
Смотреть что такое «Криогенные процессы» в других словарях:
КРИОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ — физические, физико химические и физико механические процессы при промерзании почв и горных пород … Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии
Криогенные процессы — совокупность физических и физико химических процессов, возникающих в п. в результате охлаждения их до отрицательных температур, замерзания и оттаивания. К К. п. относятся растрескивание п.; миграция в п. влаги и перемещение почвенных масс при… … Толковый словарь по почвоведению
КРИОГЕНЕЗ, ПРОЦЕССЫ КРИОГЕННЫЕ (МЕРЗЛОТНЫЕ) — [κρνος (криос) холод, лед] совокупность теплофиз., физико механических и физико хим. процессов, происходящих в промерзающих, мерзлых и протаивающих грунтах и г. п. Наиболее распространенные формы К.: режеляция, пучение… … Геологическая энциклопедия
склоновые процессы — процессы, происходящие на склонах, их формирующие и преобразующие. Все они осуществляются под действием силы тяжести и перемещают частицы грунта или крупные блоки горных пород вниз по склону, частично откладывая этот материал в нижней части… … Географическая энциклопедия
Криолитозона — син. термина зона многолетнемерзлых пород. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
Укок — Долина реки Калг … Википедия
Почвенный профиль — Схема строения почвенного профиля … Википедия
Геокриологический прогноз — (a. geocryologic forecast; н. geokryologische Voraussage; ф. pronostic geocryologique; и. pronostico geocriologico) науч. предвидение изменений геокриологич. условий, создающихся в ходе эволюции природной среды (естественноисторич. Г. п.) … Геологическая энциклопедия
Забайкалье — прир. область к В. от оз. Байкал. Простирается почти на 1000 км от Патомского и Сев. Байкальского нагорий на С. до границы России с Монголией и Китаем на Ю. и более чем на 1000 км от берегов Байкала на З. до слияния рек Шилка и Аргунь на В.… … Географическая энциклопедия