В геокриологии под явлением обычно понимают результат действия каких-то физико-геологических процессов, хотя в физике любой процесс — уже физическое явление.
Такого рода процессы представляют собой изменения состояния, состава, сложения и свойств почв и грунтов, движения частиц, глыб, слоев и массивов под влиянием главным образом внешних условий. Эти процессы считаются протекающими непрерывно во времени, затухая или убыстряясь, явления же могут только существовать на данный момент времени, исчезать или возникать.
Физико-геологические процессы, связанные с промерзанием и протаиванием и изменениями отрицательной температуры почв и грунтов, называют криогенными, т. е. порожденными охлаждением и льдообразованием или нагреванием и таянием льда. К криогенным процессам относится и влагоперенос, в результате которого возникают и растут или уменьшаются и исчезают ледяные включения в почвенно-грунтовом комплексе.
Вода обладает рядом аномальных свойств, которые в условиях контакта ее с вмещающими горными породами различного состава, строения и сложения, а также в результате разнообразия внешних воздействий создают сложную картину природных явлений.
В качестве свойств воды, определяющих особенности промерзания и протаивания почвы и подпочвы, следует отметить следующие: увеличение удельного объема воды почти на 9% при ее превращении в лед в условиях отсутствия стеснения и развитие значительных сил давления при стеснении объема; аномальность изменения плотности воды в интервале температур от 0 до 4° С, заключающаяся в том, что плотность достигает максимума при 4°С, а при понижении температуры падает; существование особого состояния воды — пленочного, при котором вода во многом ведет себя как твердое тело, тем более проявляя его свойства, чем ближе слой молекул воды к поверхности твердых частиц, поэтому существует интервал температур, соответствующий постепенному образованию отдельных кристаллов и вымерзанию воды; способность воды растворять химические соединения, соли, в результате чего температура начала ее замерзания понижается и возникает интервал температур, соответствующий постепенному образованию кристаллов льда и солей; аномально большие значения теплоты кристаллизации и испарения, а также теплоемкости по сравнению с другими жидкостями.
Эти свойства воды оказывают свое влияние на криогенные процессы по-разному, в зависимости от направления движения внутренней тепловой энергии в системе земная кора — деятельный слой — космос (атмосфера), а именно от литосферы в космос или наоборот. Именно движение внутренней тепловой энергии, или теплоперенос, и есть первопричина возникновения криогенных процессов и явлений, выражение которых мы обнаруживаем в новых геологических и геоморфологических образованиях, особенностях строения и сложения мерзлых и оттаявших пород.
Так, передача тепла от литосферы в космос, происходящая в осенне-зимний сезон (когда температура условной поверхности радиационного теплообмена ниже температуры почвы, подпочвы и воздуха), вызывает охлаждение и промораживание почвы и грунта и связана с криогенной миграцией влаги, пучением, нарушением режима грунтовых вод, растрескиванием пород, образованием наледей и тарынов и др.
Напротив, передача тепла из космоса (солнечная энергия) к литосфере, происходящая в весеннелетний сезон (когда температура условной поверхности радиационного теплообмена выше температуры почвы, подпочвы и воздуха), вызывает протаивание, повышение температуры почвы и грунта, вытаивание подземных ледяных включений, обводнение, термокарст, осадки минеральных отложений, солифлюкцию, термоэрозию и др.
Таким образом, указанным двум сезонам года соответствуют и два типа характерных криогенных процессов и явлений, связанных либо с образованием, либо с таянием подземных ледяных включений.
Важно то, что криогенные процессы и явления возникают в тех частях и микрообъемах литосферы, которые при достаточно высоком содержании воды меняют свое термическое состояние, а именно: немерзлое на мерзлое или мерзлое на талое. Особенности же рельефа, микрорельефа, строения и сложения верхнего яруса земной коры сильно влияют на условия теплообмена и характер теплопроводности в горных породах и соответственно на их термическое состояние. Так, в Западной Сибири и на Дальнем Востоке на вершинах увалов нет подстилающих мерзлых грунтов вследствие того, что они сложены из крупнозернистых отложений, или трещиноватых пород, легко пропускающих воду, которая в весенне-летний сезон просачиванием осуществляет глубокий прогрев грунта, в то время как в низинах, между увалами, развиты толщи мерзлых пород. На равнинных участках криолитозоны, в тундре, напротив, встречаются участки с отсутствием мерзлой подпочвы, которые приурочены к лесистым балкам, к площадям, занятым кустарником, легко задерживающим и накапливающим снег — теплоизолятор. Однако в Центральной Якутии (60—62° с. ш.) подпочва лесов вследствие эффекта затенения имеет более низкую температуру, чем в окружении.
По данным некоторых исследователей, в газоносных районах Западной Сибири отмечены участки криолитозоны на глубинах 100—300 м. Их происхождение может быть связано не с реликтовостью (из-за похолоданий в древние периоды Земли), а с промыслом природного газа, который вследствие разгрузки пластового давления и десорбции из горных пород приводит к понижению их температуры. Во всяком случае, такая возможность реальна.
По интенсивности же морфологических изменений на первое место, безусловно, выступают процессы и явления, вызываемые таянием льда. Поэтому иногда можно услышать, что «лед любит таять, а вода не любит замерзать». Такое народное выражение находит объяснение с термодинамических позиций: свободная энергия льда выше, чем у воды, поскольку вода при замерзании увеличивает свой удельный объем.
С протаиванием льдистых отложений происходит образование крупных пустот и уплотнение талых слоев грунта, поскольку талая вода отжимается гравитационным сдавливанием пород. Все это вызывает просадки наиболее льдистых участков земной поверхности, формирование провальных, или термокарстовых, форм рельефа в виде ложбин, озер, канав, воронок и глубоких колодцев. Находящиеся на этих участках земной поверхности инженерные сооружения оседают. Термокарст особенно интенсивно развивается на низменных пространствах тундры и тайги с жильными залежами льда. Для этого достаточно двухтрех значительно более теплых летних сезонов или уплотнения, разрушения и особенно удаления дерново-растительного покрова. Протаивание верхнего, наиболее льдистого горизонта мерзлого грунта неизбежно. Часто причиной подобных нарушений становятся различного рода строительные работы.
Весьма большое значение в развитии почвенного покрова и преобразовании средних форм рельефа (холмов, увалов, долин, оврагов и балок) в тундре имеют относящиеся к этому же типу криогенных процессов сплывания, сползания и вымывания переувлажненных масс сезонноталого слоя по склонам. Это так называемые склоновые, термоэрозионные процессы и явления. Иногда они вызываются нарушением естественных условий или внешней динамической нагрузкой и приобретают катастрофический характер.
Термокарст и термоэрозия весьма опасны для сооружений, поэтому перед проектированием объектов на Севере выполняют геокриологический прогноз, выясняют условия развития данных явлений.
К другому типу криогенных физико-геологических процессов, а именно обусловленных образованием ледяных включений в земной коре, относится пучение, причиняющее значительный вред инженерным сооружениям. Существенной интенсивности пучение наблюдается лишь в тонкодисперсных отложениях — пылеватых, глинистых, торфяных. Песчано-галечные же отложения при промерзании практически заметного пучения не имеют.
Вспучивающийся грунт увлекает за собой фундаменты зданий, опоры мостов и линий электропередач, основания дорог и трубопроводов, выталкивает их с большой силой, которой не может противостоять вес самого сооружения. Большое вспучивание наблюдается в местах, где залегают линзы водоносных песчаных или песчано-гравийно-галечных отложений. Промерзающий суглинок или торф подсасывает (за счет развития явления так называемой криогенной миграции влаги) воду из этих отложений и, набухая от нарастания числа и толщины ледяных включений, начинает выгибаться вверх, отрывается от водоносного слоя. В образовавшуюся полость устремляется вода. Так в естественных условиях создаются многолетние большие бугры пучения.
Но подобного нельзя сказать о деревьях. Мы не наблюдаем выталкивания деревьев с корнями силами пучения. Секрет здесь, очевидно, состоит в том, что термическое сопротивление из грунта в атмосферу меньше в направлении через корни и ствол дерева, чем через растительный и снежный покровы на земной поверхности. Это приводит к быстрому промораживанию почвы и грунта вокруг ствола и корней, что предотвращает развитие сил пучения, направленных вверх. К тому же деревья своим влагообменом снижают влажность почвы и грунта.
Промерзание влажных пылевато-глинистых и торфяных отложений сопровождается не только вспучиванием их по вертикали. Одновременно с этим происходит горизонтальная усадка таких слоев, возникают растягивающие напряжения в их плоскости. В результате почва и подпочва растрескиваются. Весной трещины заполняются водой, которая замерзает в слоях и массивах с отрицательной температурой. Так образуются ледяные жилы, которые растут из года в год, достигая местами глубины 2—3 м, реже 4—5 м.
Мерзлые почва, грунт, слои и жилы льда водонепроницаемы, а это приводит, в условиях активности течения подземных вод, к развитию криогенных гидрогеологических процессов и явлений. К ним относится криогенное повышение напора грунтовых вод с возможным последующим их изливанием на поверхность почвенно-грунтового комплекса через трещины, пустоты или талики. Излившаяся таким образом вода носит название «наледь (наслуз)». Наледи бывают почвенно-грунтовые и речные (вследствие промораживания русел). В результате последовательного замерзания систематически появляющейся наледной воды на одном и том же, участке образуются слоистые ледяные и снежно-ледяные покровы, достигающие иногда огромных размеров — десятков квадратных километров. Такие покровы называют тарынами. Наибольшее их распространение отмечено на севере Восточной Сибири.
Известны многочисленные случаи, когда отапливаемые строения неожиданно оказываются залитыми наледной водой, появившейся из подполья, поскольку в этих местах не образуется промерзшего слоя грунта. Напор воды бывает очень значительным, и люди вынуждены покинуть строение, которое становится поглощенным тарыном.
Засоленность грунтов в районах криолитозоны вызывает неравномерное распределение концентрации солей в различных участках данной зоны гидрогеосферы. А это приводит к образованию таликов с отрицательными температурами и относительно высоким процентным содержанием солей. Такие талики, или северные солончаки, особенно встречающиеся у арктического побережья, при высокой влажности имеют низкую несущую способность, что доставляет много хлопот строителям. Сейчас с этой проблемой столкнутся строители трубопроводов на Ямале. Рассмотренные нами криогенные физико-геологические процессы и явления наиболее часто встречаются в охватываемых общественным производством северных районах. Раскрытие физического механизма указанных процессов и прогнозирование явлений составляют главные практические цели физической геокриологии.
Заканчивая рассказ о физической геокриологии, отметим, например, следующие нашедшие в ней объяснение парадоксальные явления: увеличение, а не уменьшение положительных (весеннелетних) теплооборотов почвенногрунтового комплекса с ростом широты; рост в том же направлении приращений сезонно-талого слоя в трех-, четырехлетний полупериод потепления весенне-летних сезонов при прочих равных условиях; пучение наиболее развито в относительно южных широтах криолитозоны, тогда как термокарст — в более северных, по мере понижения среднегодовой температуры грунта, увеличения его льдистости и уменьшения сезонно-талого слоя.