В зоне вечной мерзлоты. Зелёные перспективы вечной мерзлоты

Использование: в сельском хозяйстве, в частности для сельскохозяйственного освоения земель в зоне многолетней мерзлоты. Сущность изобретения: способ включает протаивание вечномерзлых грунтов на местности, имеющей уклон не менее 0,04 - 0,06, и неоднократное боронование поперек склона, например дисковыми боронами до перемешивания с нижележащим минеральным грунтом и образования слоя с однородной комковатой структурой. 4 ил.

Изобретение относится к мелиорации земель сельскохозяйственного освоения территории в зоне многолетней мерзлоты. Известен способ освоения тундровых земель путем осушения термокарстовых озер и использования их днищ в качестве луговых угодий. Недостатком способа является деградация луговых котловин и выпадение их из хозяйственного использования через 5-7 лет из-за выхолаживания днища котловин, нарушается экологическая обстановка на больших площадях, происходит термоэрозия, заболачивание тундры, сокращение площадей оленьих пастбищ за счет уничтожения мохового покрова и ягельника. Известны способы освоения земель в зоне многолетней мерзлоты, в основе которых заложен принцип осушения земель с различными техническими и технологическими приемами: с запиранием осушительных каналов на летний период, с внесением минерального грунта на поверхность осушаемой территории, с приемами планировки поверхности для ускорения отвода грунтовых вод, с вытаиванием мерзлого грунта до минимально необходимого значения. Недостатком этих способов является невозможность использования их при освоении пологих тундровых склонов. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ тепловой мелиорации земель в зоне вечной мерзлоты для освоения тундровых склоновых участков с целью сельскохозяйственного использования земель на пересеченной местности, заключающийся в том, что поперек склона отсыпают слой дренирующего материала, а выше по склону рядом с ним выполняют площадку, заглубленную ниже дневной поверхности на величину растительного слоя. Первым недостатком данного способа является низкий коэффициент использования территории, так как площадь искусственной террасы на склоне, отсыпанной из дренирующего материала и почвенного слоя, примерно равна площади искусственной выемки, и коэффициент освоения территории склона равен примерно 0,5. Вторым недостатком является невозможность использования сельскохозяйственных механизмов и техники для посева-уборки сельхозкультур ввиду разрушения искусственной выемки с водой и террасы с насыпным грунтом. Третьим недостатком является трудоемкость и большие капитальные затраты на возведение террас, сложенных у основания из привозного дренирующего материала, а сверху из почвенного грунта, взятого из выемки на склоне. Наиболее существенным недостатком способа является недолговечность искусственной выемки в вечномерзлых грунтах, которая заполняется водой от таяния снега или от выпадения осадков. Снятие почвенного тундрового покрова является искусственным термокарстом, ведущим к термоэрозии, образованию оврага и разрушению склона (максимум два года). Заявляемое техническое решение направлено на повышение эффективности и долговечности сельскохозяйственного использования земель в зоне многолетней мерзлоты и сохранение экологического равновесия. Поставленная задача достигается тем, что согласно способу тепловой мелиорации земель в зоне многолетней мерзлоты весной после оттайки почвы на 20-30 см поверхность, покрытую мохово-кочкарным слоем и имеющую уклон не менее 0,04-0,06, неоднократно боронуют поперек склона, например, дисковыми боронами до перемешивания с нижележащим минеральным грунтом и образования слоя с однородной комковатой структурой. Начинают работу по тепловой мелиорации тундровой поверхности склона по достижению необходимой минимальной оттайки мерзлого грунта в 20-30 см, чтобы обеспечить нормальную работу дисковыми боронами. Для обеспечения эффективного подземного стока, образующегося в сезонно-талом слое от вытаивания многолетнемерзлых пород в результате произведенной тепловой мелиорации, минимальный уклон поверхности склона должен быть более 0,04-0,06, максимальный ограничен лишь техническими возможностями сельхозтехники. При меньших уклонах (менее 0,04-0,06), как показывает практика, скапливается влага на поверхности, образуются термокарстовые просадки и провалы грунта. Поверхность мелиорируемой территории склона необходимо, неоднократно, практически примерно в 6-8 следов обработать дисковыми боронами, чтобы добиться хорошего измельчения кочки, мха и перемешивания этой органической массы с нижележащим минеральным грунтом до образования слоя глубины 25-30 см с однородной комковатой структурой. Такая обработка поверхности позволяет полностью разрушить мощную теплоизоляционную "подушку" из мха и кочки, которая сильно ограничивает приток тепла солнечной энергии в грунт. Во-вторых, такая мохово-кочкарная "подушка" надежно изолирует семена дикорастущих (сенокосных) трав от контакта с минеральным слоем, который находится под ней на глубине 20-25 см. После проведения боронования и разрушения теплоизоляционной "подушки" происходит изменение теплового режима почвы, что выражается в резком увеличении потока тепла в грунт. Повышенная аккумуляция тепла почвой вызвана изменением теплофизических характеристик в новом измельченном почвенном слое из минеральной и органической составляющей: увеличением коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости. Вследствие этого к концу теплового периода первого года выдержки отмечается максимальное увеличение мощности сезонного протаивания грунта на 50-70% (для условий Анадырского района Чукотки) по сравнению с необработанной территорией (контроль). После завершения весенних работ по мелиорации территории можно переходить к этапу сельскохозяйственного освоения, например засевать многолетними сенокосными травами. К концу теплого периода второго года после начала мелиоративных работ отмечается уже незначительное увеличение мощности протайки грунта, всего на 20-25% по сравнению с необработанной территорией (контроль) или на 10-15% к обработанному полю первого года освоения. К концу 3-4-го года выдержки практически заканчивается относительное увеличение мощности сезонного протаивания грунтов от тепловой мелиорации по предлагаемому способу, составляя 5-15% с контролем. С этого момента устанавливается уже новое стабилизированное состояние теплообмена верхнего деятельного слоя с окружающей средой, которое фиксируется схемой на фиг.4, по сравнению с первоначальным (ненарушенным) установившимся состоянием теплообмена на фиг.1. Таким образом, предлагаемый способ мелиорации земель основан на применении только таких техногенных воздействий, которые вызывают незначительное изменение динамики теплообмена в деятельном слое. При этом величина теплового потока в грунт не будет превышать некоторого критического уровня, выше которого может поступить интенсивное (катастрофическое) вытаивание мерзлых грунтов и развитие термокарстовых процессов: термопросадки, термоэрозия, провалы грунта с обнажением жильного льда, оврагообразование. При осуществлении предлагаемого способа мелиорации земель недопустимо применять такие техногенные воздействия, которые связаны с горизонтальным смещением грунта: например рыхление и переворачивание пластов грунта (дерна) плугом или рыхление и перемещение грунта при планировке поверхности. Такие приемы обработки недопустимы и способны вызвать необратимую деградацию мерзлоты. На фиг.1 показан разрез по склону до начала работ; на фиг.2 то же разрез после срезки и измельчения мохово-кочкарной "подушки" с минеральным грунтом; на фиг.3 разрез склона после первого-второго года выдержки; на фиг.4 разрез склона к моменту достижения нового установившегося состояния теплообмена верхнего деятельного слоя с окружающей средой. На чертеже обозначено: 1 поверхность территории до выполнения работ по тепловой мелиорации, 2 верхняя граница многолетнемерзлых грунтов, 3 повторно-жильные льды (ПЖЛ), 4 многолетнемерзлые грунты (грунты ядер ПЖЛ), 5 поверхность территории после производства мелиоративных работ, 6 поверхность территории после посева культур на 1-2-й год освоения, 7 верхняя граница многолетнемерзлых грунтов в процессе вытаивания льда, 8, 9 новая верхняя граница многолетнемерзлых грунтов и положение ПЖЛ после окончания вытаивания грунтового льда и стабилизации этого процесса (к концу 3-4-го года). Предлагаемый способ тепловой мелиорации земель прошел экспериментальную проверку в течение четырех лет на опытно-производственных полях площадью 38 га пригородного животноводческого совхоза "Северный" вблизи г. Анадырь на тундровых пологих склонах при освоении земель для сенокосных лугов, овощеводства открытого грунта, пастбища. Способ показал высокую эффективность при выращивании многолетних трав на зеленый корм, сено и выращивании редиса. Способ имеет перспективу использования во всех регионах Чукотки и других субарктических и арктических районах Севера, открывает большие возможности сельскохозяйственного освоения обширных тундровых территорий со сплошным распространением многолетнемерзлых пород содержащих повторно-жильные льды и ранее никогда не использованных.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ В ЗОНЕ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ, включающий протаивание вечномерзлых грунтов на пересеченной местности, отличающийся тем, что весной после оттайки почвы на 20 - 30 см поверхность, покрытую мохово-кочкарным слоем и имеющую уклон не менее 0,04 - 0,06 неоднократно боронуют поперек склона в частности дисковыми боронами для перемешивания с нижележащим минеральным грунтом и образованием слоя с однородной комковатой структурой.

Я часто мечтаю о собственном доме (лучше постоянном, но я и о даче подумываю), саде и огороде. Свои клубника, яблоки, помидоры...

К чему это я? К тому, что есть места, в которых не очень-то займешься огородничеством. Зона вечной мерзлоты, например.

Что такое вечная мерзлота

Мерзлота - это такое состояние почвы, при котором ее температура не поднимается выше нуля. И даже подземные воды представляют собой скорее подземные льды.

В зонах вечной мерзлоты почва находится в таком состоянии на протяжении многих лет. Глубина промерзания может быть больше километра!

Даже летом почва оттаивает незначительно, нижние слои так и остаются закованными в лед.

В Южном полушарии вечную мерзлоту можно найти в Антарктиде. В Северном полушарии она распространена шире и занимает северные территории:

• Северной Америки (Канада, Аляска);
• Европы;
• Азии.

В России занимает области за полярным кругом, значительную часть Сибири.

Земледелие и вечная мерзлота

Земледелие основано на жизненной активности растений, а какую активность разовьешь, если через несколько сантиметров почвы корнями натыкаешься на залежи льда? Вот именно.

Общая небольшая плодородность грунта, длина светового дня и низкие температуры тоже не способствуют бурной жизни растений

Чтобы получить сколько-нибудь значимый урожай на этих территориях, людям приходится прибегать к многочисленным ухищрениям. Они строят теплицы; искусственным путем приподнимают уровень грунта, чтобы удалить плодовую культуру от промерзлого слоя.

За прогнозом погоды огородники-любители следят без перерывов, ведь внезапные заморозки могут погубить урожай даже в июне!

Удивительно, но не только малая длина светового дня негативно влияет на растения. Слишком длинный день тоже может "шокировать" растения, которых эволюция к такому не готовила.

Поэтому районах, где выражен полярный день, некоторым растениям для нормального роста приходится имитировать ночь, накрывая их плотной пленкой или тканью

Словом, земледелие среди вечной мерзлоты возможно, но подозрительно напоминает забивание гвоздей микроскопом.

Вечная мерзлота занимает 65% территории России. По географическому положению она делится на субаэральную, субгляциальную и шельфовую.

Субаэральная криолитозона - максимальная по площади - представлена с поверхности многолетнемерзлыми породами. В Европейской части страны она распространена только в тундре и лесотундре; от ее южная граница идет к устью реки Мезень и далее почти по Северному полярному кругу до Урала. В Западной Сибири граница криолитозоны имеет широтное простирание до реки Енисей; вблизи реки Подкаменная Тунгуска она резко поворачивает на юг и проходит по правобережью Енисея. К востоку от Енисея мерзлота распространена на большей части территории, за исключением юга Камчатки, острова , Приморья и некоторых других районов. Мощности мерзлых толщ изменяются от 100–200 до 1500 м (Средняя Сибирь).

Субгляциальная криолитозона известна под ледниками , где для нее характерны аномально малые для высоких широт мощности и высокие температуры, а также под ледниками в горах на Северо-Востоке России и на Алтае.

Шельфовая криолитозона распространена в арктических морях у берегов Сибири. Океаническая криолитозона занимает значительную часть Арктического бассейна, за исключением районов, испытывающих влияние теплого Северо-Атлантического течения.

Сезонное промерзание пород охватывает большую часть остальной территории России, кроме зоны субтропиков, где оно не проявляется ежегодно и его глубина не превышает нескольких сантиметров. Глубина сезонного промерзания уменьшается зонально при повышении температуры пород и увеличивается с возрастанием континентальности климата с запада на восток. Наибольших значений (до 4–8 м) сезонное промерзание достигает в районах с резко континентальным холодным климатом, малоснежными суровыми зимами (Центральное и Южное ), в крупнообломочных грунтах, обладающих низкой влажностью. Мощность слоя сезонного промерзания обусловливает глубину заложения коммуникаций, фундаментов зданий.

Сплошная мерзлота распространена в северной части Большеземельской тундры, на Полярном Урале, в тундре Западной Сибири, в северной части Среднесибирского плоскогорья, на полуострове Таймыр, архипелаге Северная Земля, на , Яно-Индигирской и , в дельте реки Лена, на Центральноякутской равнине, Приленском плато и в областях Верхоянского и Черского хребтов, Колымского нагорья, Анадырского плоскогорья, а также на Юкагирском плоскогорье и Анадырской низменности. Мощность толщ многолетнемерзлых пород изменяется от 300 до 500 м и более, в горах - до 1500 м; температуры - от –2°C до –10°С и ниже. В зоне сплошной мерзлоты талые породы залегают только в руслах больших рек и под крупными озерами. К югу от этой зоны мерзлые породы чередуются с талыми.

Мерзлота с островами талых грунтов (прерывистая, спорадическая) преобладает в Большеземельской и Малоземельской тундрах, на между реками Нижняя и Подкаменная Тунгуска, в южной части Приленского плато, в Забайкалье. Мощность мерзлых толщ иногда достигает 250–300 м, но чаще колеблются от 10–20 до 100–150 м, температура - от 0°C до –2°С. Главными причинами образования таликов в зоне прерывистой мерзлоты служат поверхностные и , радиационный режим поверхности Земли, .

Островная мерзлота развита на Кольском полуострове, в Канино-Печорском районе, в таежной зоне Западной Сибири, в южной части Среднесибирского плоскогорья, на Дальнем Востоке, вдоль побережья и на полуострове . Мощность толщ колеблется от нескольких метров до нескольких десятков, температуры близки к 0°С. Островная мерзлота характерна также для горных стран - Саян, Урала и Кавказа, где она встречается главным образом по периферии районов современного оледенения. В зоне островной мерзлоты массивы современных мерзлых пород сохраняются в льдистых торфяных и суглинистых породах, в лесных массивах с большим эффектом затенения, на склонах северных и восточных экспозиций.

Лед в мерзлых породах представлен двумя разновидностями: 1) кристаллами, прослоями, прожилками (криогенные текстуры) и 2) мономинеральной ледяной породой (полигонально-жильные и пластовые льды, ядра бугров пучения). В кристаллических и метаморфических горных породах лед встречается в виде жилок, заполняющих трещины, в песках - в виде линз и мелких кристаллов, в глинах, суглинках, супесях и торфе - в виде слоев или сетки. Особое место занимают решетки ледяных жил, проникающие в породу до глубины 20–50 м. Они широко распространены в пределах Западно-Сибирской и Центральноякутской равнин, Северо-Сибирской и на рыхлых нелитифицированных породах. Промерзание верхних горных пород часто приводит к образованию сезонных и многолетних бугров-гидролакколитов, содержащих ледяное ядро; они встречаются чаще всего в Забайкалье, на Таймыре, на севере Западной Сибири, где их называют булгунняхами. В горных районах в речных долинах и на склонах обычны наледи - покровы льда, образующиеся при замерзании подземных вод, излившихся под напором, возникающим при сезонном промерзании, а также при промерзании выходов артезианских вод. Протаивание ледяных образований, содержащихся в толщах горных пород, обычно приводит к просадкам, возникновению воронок, округлых впадин и т. п. формам рельефа (термокарст), поверхностных оползней-сплывов, грунтовых потоков (солифлюкция).

Льдистость мерзлых пород различна, встречаются три основных разновидности: малольдистые, преимущественно пески и коренные породы (льда менее 20%), среднельдистые суглинки и супеси (льда 20–40%) и сильнольдистые озерно-болотные и аллювиальные отложения, представленные торфом и суглинком (льда более 40%).

Мерзлотные процессы

В пределах криолитозоны можно выделить пять типов территорий, отличающихся своим набором преобладающих криогенных процессов. В пределах равнин Севера Европейской части России и Западной Сибири наблюдаются термокарст и пучение. Восточнее, в более суровых климатических условиях, на равнинах тундры и лесотундры дополнительно формируется морозобойное растрескивание. Для большей территории низко- и среднегорий Сибири характерны термокарст, пучение, наледи, солифлюкция, курумы. В высоких горах, впадинах, низких равнинах и речных долинах таежной зоны Средней и Восточной Сибири, Дальнего Востока преобладают наледи, солифлюкция, курумы. Для средних и низких гор на юге криолитозоны России, где распространена прерывистая и островная мерзлоты, типичны процессы термокарста, и солифлюкции.

При сплошном распространении многолетнемерзлых пород в их верхней части летом формируется слой сезонного протаивания. Его глубина зависит от ландшафтно-климатических условий и состава пород. В рыхлых отложениях она минимальна (не более метра) на Крайнем Севере и повсеместно в торфе. В песках она составляет 2 м и более. В горах на коренных породах протаивание достигает 3 м и даже больше. В долинах рек глубина протаивания изменяется весьма значительно на коротких расстояниях. При прерывистом и островном распространении мерзлоты сосуществуют сезонное протаивание мерзлых пород летом и сезонное промерзание талых пород зимой. Как правило, влажные (льдистые) породы находятся в мерзлом состоянии и протаивают относительно неглубоко. Расположенные рядом талые породы чаще менее влажные, и слой сезонного промерзания на них имеет большую мощность.

При возведении инженерных сооружений, строительстве железных и шоссейных дорог, мостов, трубопроводов, гидротехнических объектов необходимо учитывать возможность пучения и просадок грунтов, сползания оттаивающих грунтов на склонах, образования наледей. В сельском хозяйстве многолетняя мерзлота в одних случаях ограничивает возможности развития тех или иных культур, в других - благоприятствует выращиванию растений в связи с дополнительным увлажением грунтов при сезонном оттаивании деятельного слоя. В многолетнемерзлых толщах обнаружены термодинамически неустойчивые и поэтому чрезвычайно чувствительные к изменениям условий равновесия газовые гидраты, изменения которых приводят к неконтролируемым выбросам газа в , взрывам, пожарам, что усиливает парниковый эффект. В мерзлых породах, льдах и переохлажденных водах открыты жизнеспособные микроорганизмы, которые нередко вовлекаются в современные биогеохимические процессы при оттаивании пород.