В современной области распространения многолетнемерзлых пород мощности их могут составлять несколько сот метров.
Ледяные прослойки и отрицательные температуры отмечаются на больших глубинах, мерзлота захватывает отложения самого различного состава, происхождения и возраста. Во многих районах промерзшими оказываются отложения, соответствующие всему четвертичному периоду (плейстоцену), а мерзлота проникает еще глубже, в коренные породы, возраст которых исчисляется миллионами лет. Что же это значит? Неужели и мерзлота имеет такой солидный возраст?
И в очень отдаленные геологические периоды холодные эпохи возникали неоднократно, но они сменялись теплыми условиями, при которых мерзлота должна была бы протаять. За пределами современной области мерзлоты были получены убедительные геологические доказательства многократного промерзания, а затем протаивания отложений, имеющих различный (ранне-, средне-, позднечетвертичный) возраст.
В некоторых разрезах мерзлотные клинья образовывали две или три генерации, формируя гирлянды, часто как бы накладывающиеся одна на другую или разделенные слоями без клиньев. Такие разрезы были обнаружены в северных и центральных. частях Русской равнины, на севере Украины, на территории Волыно-Подолии, в Польше, на севере Западной Сибири.
Долго и тщательно приходилось изучать такие «слоеные» разрезы, выделяя самостоятельные пласты и звенья. Сложные клиновидные формы, словно сталактиты в пещерах, пронизывают толщу вмещающих пород, сверху накладывается следующая генерация клиньев. Трещины разбивают не только породу, но и более древние, нижележащие системы полигонов.
Формирование таких сложных многоярусных систем было возможно благодаря процессам непрерывного осадконакопления. Так, в районах накопления лёссовых отложений, согласно существующим расчетам, ежегодно добавлялось 0,2—0,4 мм или 2—4 м осадков за 1000 лет.
Каждая холодная эпоха отличалась своими особенностями по скорости формирования мерзлоты, условиям увлажнения, континентальности климата, продолжительности периода деградации мерзлоты, поэтому различным волнам холода могли соответствовать как сходные, так и своеобразные формы. В большинстве случаев многослойные следы мерзлоты различаются по формам каждого яруса: чаще всего верхнюю, более молодую систему, составляют клиновидные формы значительных размеров (4—5 м высотой и 3—4 м шириной), чередующиеся через 15—20 м, нижний ярус образуют мерзлотные деформации, в которых преобладают перемятия слоев, криотурбации, реже трещины и жилы небольшого размера (до 1,5 м). Несколько ярусов мерзлотных деформаций — многоярусная мерзлота — говорят о том, что во время формирования отложений существовало несколько периодов похолоданий. Поверхность Земли испытывала воздействие низких температур несколько раз, холод проникал в толщу отложений каждый раз именно с поверхности, распространяясь постепенно вглубь. Так же с поверхности проникали и трещины. В толщах вмещающих отложений, которые могли формироваться на протяжении сотен тысяч лет, оказались как бы «впечатанными» многоярусные следы, соответствующие эпохам похолоданий.
Гораздо более сложным получалось строение геологических разрезов на тех территориях, которые также испытывали неоднократное воздействие мерзлоты, но где накопления новых отложений не происходило. Волны холода накладывались на один и тот же субстрат, на одну и ту же поверхность. Многократные промерзания и оттаивания превращали верхние несколько метров отложений в сильно нарушенную вертикальную зону, в которой чередовались клинья и мерзлотные смятия, перемещался каменный материал, резко менялось внутреннее строение, текстура и структура грунта.
Происходила как бы запись на одном и том же листе, правда различными почерками и различными способами: пером, шариковой ручкой, карандашом. Такие разрезы расшифровываются с применением данных из других, иногда весьма отдаленных пунктов, в которых каждая «запись» более отчетлива и представительна. Составлены схемы, показывающие приуроченность следов древней мерзлоты к определенным геологическим горизонтам, для большей части территории Европы, Юго-Западной Сибири, Северной Америки. Большинство исследователей отводят место древней мерзлоте в геологических схемах в соответствии с основными ледниковыми эпохами. Обычно их так и называют: валдайские клинья, днепровские, доднепровские. Практически почти все сведения об ископаемой мерзлоте относятся ко времени четвертичного периода. Более древние следы единичны, определение их мерзлотного происхождения затруднительно. Поэтому обоснованные и достоверные построения относятся также к сравнительно молодым геологическим эпохам.
На территории Евразии, для Западной и Восточной Сибири, имеются сведения о возрасте мерзлоты во много раз большем, чем для севера Европы. Н. Н. Романовский приводит данные, согласно которым мерзлые толщи в арктических районах возникали в очень отдаленные эпохи: до 2 млн. лет назад, а со времени 600 тыс. лет назад мерзлота существует на севере Азии (Колымская низменность и другие районы) непрерывно, В Центральной Якутии вечная мерзлота имеет возраст не менее чем 300 тыс. лет.
Реконструкции древних областей распространения многолетнемерзлых пород производятся на основании следов мерзлоты, обнаруженных в разрезах, относящихся к разным ярусам, о которых говорилось выше. Провести достоверную границу древней области мерзлоты для эпохи днепровского или московского оледенений затруднительно. Можно лишь приблизительно полагать, что по окраине ледниковых щитов существовала перигляциальная зона определенной ширины, а в ее пределах формировалась многолетняя мерзлота. На территории Русской равнины имеется значительное число проявлений мерзлоты, валдайский возраст которой установлен достаточно точно. Приуроченность древних мерзлотных форм к определенным геологическим горизонтам позволяет сопоставлять проявления мерзлоты, обнаруженные в пунктах, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Такие сводки были сделаны для Средней и Восточной Европы А. А. Величко, для территории Польши — Я. Дыликом, для Франции — Ж. Трикаром и А. Кайе.
Для эпохи валдайского (вислинского) оледенения А. А. Величко выделяет не менее трех волн формирования мерзлоты (заметим: на протяжении одной, не самой продолжительной ледниковой эпохи — три вспышки холода с формированием трех самостоятельных горизонтов мерзлотных деформаций). Они различаются по времени формирования и характеру деформаций: 1) начало валдайского оледенения (ранний гляциал) — смоленский криогенный горизонт; 2) похолодание, возникшее после брянского (паудорфского) времени, — владимирский криогенный горизонт; 3) последний период валдайского оледенения —ярославский криогенный горизонт.
В слоях, относящихся к началу валдайского оледенения, преобладают следы криотурбаций, солифлюкции, небольшие элементарные жилы — формы, встречающиеся в южной части современной области мерзлоты.
Вторая волна холода валдайского времени оставила следы сильной переработки грунтов мерзлотными процессами. На севере Русской равнины, в районе городов Владимира — Брянска, распространялись формы типа пятен-медальонов и трещинные образования до 1,5—2 м высотой.
Третья волна, наиболее холодная и суровая, охватывала период от 20 тыс. до 10—12 тыс. лет назад. В то время развивались системы крупных, часто двухъярусных клиньев, и морозобойное растрескивание сопровождалось многочисленными деформациями типа смятий, процессами солифлюкции и др. Изменение характера деформаций в трех горизонтах последней, валдайской эпохи и последовательное увеличение площадей древних мерзлотных областей в комплексе с другими данными привели А. А. Величко к выводу о последовательном нарастании похолодания. При этом самой холодной и суровой являлась последняя волна холода, когда сформировался ярославский криогенный горизонт.
По распространению мерзлотных форм различного времени реконструируется древняя область мерзлоты, размеры которой то увеличивались, то уменьшались. В начале валдайского времени на территории Восточной и Средней Европы южная граница этой области достигала 53—54° с. ш., во вторую волну холода — скорее всего 49° с. ш., а в последнюю расширялась максимально, продвигаясь до 46—47° с. ш., т. е. более чем на 2 тыс. кал к югу от современной.
Таким образом, в конце Валдайской эпохи Северная Евразия представляла единую криогенную область, площадь которой, по подсчетам А. А. Величко, была вдвое больше, чем сейчас, — около 22 млн. кв. км. Потепление в последовавшую затем голоценовую эпоху оказалось губительным для обширных пространств многолетнемерзлых пород. Происходило вытаивание льда, разрушение всего комплекса мерзлотных форм рельефа, протаивание мерзлоты сначала с поверхности, а затем, начиная от юго-западных районов, и полная деградация древней мерзлоты. Площадь мерзлотной области значительно сократилась, приближаясь к современной, в наиболее теплый период голоцена она скорее всего была меньше современной.
Но и это сокращение обладало интересной особенностью. Протаивание позднеплейстоценовой мерзлоты на территории Евразии происходило медленно, в течение нескольких тысячелетий. Когда голоценовое потепление сменилось похолоданием, в северных районах мерзлота начала образовываться с поверхности вновь. А на глубине оставались реликтовые пласты более древней мерзлоты, имеющие значительную мощность. Так, по новейшим данным В. В. Баулина, полученным при бурении на нефть и газ на севере Западной Сибири и северо-востоке европейской части СССР, выяснилось следующее.
Максимальная мощность мерзлых толщ на северо-востоке Европы, вероятнее всего, достигала 500—600 м. В конце плейстоцена огромные площади занимала многолетняя мерзлота, а мощность мерзлоты незначительно уменьшалась к ее периферии. В период климатического потепления голоцена мерзлые толщи протаивали с поверхности в Западной Сибири и на европейской части СССР к югу от 68—69° с. ш. Протаивание происходило медленно, мерзлота как бы погружалась, уходила в глубину и спустя даже несколько тысячелетий сохранялась глубоко от поверхности. Похолодание, последовавшее во второй половине голоцена, вновь привело к формированию мерзлоты в северных районах. Этот более молодой пласт вечномерзлых пород, по данным В. В. Баулина и Н. А. Граве, имеет мощность от 40—80 м на севере до 10—20 м на юге. Нижний (реликтовый) слой постепенно погружается от 50—100 м на широте 66—67° почти до 200 м на широте 56—60°; мощность этого пласта мерзлоты колеблется от 50—100 до 200— 300 м. Сообщение о таком двухслойном строении толщи мерзлоты на севере европейской части СССР появилось в 1978 г. Согласно этим данным, южнее на протяжении около 200 км сохранился только реликтовый слой. Глубина залегания его подошвы может составлять до 400 м, а мощность реликтового слоя превышает 250 м.
Эти уникальные материалы позволяют предполагать возможность существования древнего реликтового слоя мерзлоты и двухслойного строения толщи также на севере Северной Америки.