Геокриология

ГЕОКРИОЛОГИЯ (от гео..., крио... и ...логия), мерзлотоведение, изучает законы формирования, развития и существования во времени и пространстве многолетнемёрзлых и сезонно-мёрзлых горных пород (их состав и состояние, криогенное строение и свойства), криогенных геологических процессов и явлений. Геокриология базируется на достижениях физики (в том числе теплофизики), химии, математики, механики, геохимии, литологии, тектоники, исторической и динамической геологии, четвертичной геологии, геофизики, климатологии, гляциологии, геоморфологии, палеогеографии и др.; тесно связана с инженерной геологией, грунтоведением, гидрогеологией, геоэкологией и другими науками. При решении задач геокриологических исследований применяется геокриологический и ряд комплексных специализированных (инженерно-геокриологических, мерзлотно-гидрогеологических, эколого-геокриологических и др.) съёмок разного масштаба с использованием полевых, дистанционных, лабораторных, экспериментальных (в том числе физическое моделирование) и камеральных методов, включая расчётный анализ и математическое моделирование на основе специальных программ. Геокриология разделяется на общую, инженерную и экологическую.

Общая геокриология включает ряд направлений исследований: физику, химию и механику мёрзлых пород, динамическую, литогенетическую, региональную и историческую геокриологию. Физика, химия и механика мёрзлых пород (направление, сформировавшееся к середине 20 века) изучает с молекулярно-кинетических и термодинамических позиций природу и закономерности течения физико-химических, механических, теплофизических, структуро- и текстурообразовательных процессов в промерзающих, мёрзлых и оттаивающих породах. Динамическая геокриология подразделяется на 2 направления. Одно из них включает разработку термодинамической и теплофизической основ формирования толщ многолетне- и сезонно-мёрзлых пород во времени и по площади распространения, базируется на изучении теплообмена в системе «атмосфера - литосфера», радиационно- и водно-теплового баланса, температурного режима и фазовых переходов влаги в горных породах, а также тепловых процессов в верхних слоях земной коры. Используя моделирование, расчёты и анализ, выявляют направленность и характер развития мерзлотного процесса (деградационный, стабильный, аградационный) для любых природных обстановок, а также определяют криогенный возраст многолетнемёрзлых пород в связи с коротко-, средне- и длиннопериодными колебаниями климата. Другое направление исследований динамической геокриологии включает изучение и прогнозирование мерзлотно-геологических процессов, в результате которых формируются мерзлотные формы рельефа и новые криогенные геологические образования (морозобойные трещины, подземные льды, байджерахи, бугры пучения, курумы, солифлюкционные формы, термоэрозионные овраги, наледи и др.). Литогенетическая геокриология изучает вещественный состав, структурно-текстурные особенности и свойства мёрзлых осадочных пород и льдов; на основе мерзлотнофациального и мерзлотно-формационного анализов выявляются особенности и закономерности формирования различных генетических типов, фаций и формаций этих пород и льдов с целью установления их генезиса; проводя мерзлотно-стадиальный анализ, реконструируют историю формирования мёрзлой осадочной породы. Региональная и историческая геокриология исследует зональные, высотно-поясные и региональные закономерности формирования и развития толщ сезонно- и многолетнемёрзлых пород, пластовых и клиновидно-жильных льдов и др., их распространения по площади, условий залегания в разрезе, изменения средней температуры пород за определённый период колебаний климата (годовой, многолетний, вековой), криогенного строения и мощности мёрзлых толщ, формирование, развитие и существование мерзлотно-геологических процессов и явлений. Проводит классифицирование мёрзлых горных пород и льдов по их составу, криогенному строению, генезису, возрасту, условиям теплообмена, а также районирование и картирование области их развития. Важная научная ветвь этого направления геокриологии - разработка истории возникновения и развития мёрзлых пород в пределах районов, регионов, материков и земного шара в целом.

Инженерная геокриология занимается инженерно-геологическим обеспечением проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в криолитозоне и включает: составление инженерно-геокриологических карт для различных видов строительства, прогнозную оценку техногенных изменений инженерно-геокриологической обстановки при хозяйственном освоении территорий. Проводятся инженерно-геокриологические изыскания с целью выбора для хозяйственного освоения конкретных районов, участков и строительных площадок. Осуществляется прогноз поведения оснований и фундаментов на периоды строительства и эксплуатации инженерных объектов, при неблагоприятном прогнозе составляется проект мероприятий по управлению мерзлотным процессом. Специализированная инженерная геокриология разрабатывает инженерно-геологическое обоснование надёжного и экономичного строительства и эксплуатации конкретных инженерных сооружений на мёрзлых, промерзающих и протаивающих грунтах. В зависимости от специализации объектов выделяются направления: строительное (промышленное, городское, гидротехническое, транспортное, трубопроводное и другие виды строительства), горное (подземные сооружения, метро, тоннели и др., открытые и подземные горные выработки, нефтегазовые промыслы и др.), агробиологическое (лесное и сельское хозяйство и др.).

Экологическая геокриология (формируется с конца 20 века в связи с ростом техногенных нагрузок на природную среду криолитозоны, приводящих к резкому нарушению сложившегося квазиравновесного состояния существующих экосистем) занимается прогнозированием возможных последствий техногенных нарушений на отдельных промышленно развитых территориях криолитозоны (посёлки и города, участки освоения месторождений полезных ископаемых, захоронения токсичных, в том числе радиоактивных, отходов производств и др.) и разработкой опережающих мер и мероприятий, ограничивающих негативное антропогенное воздействие на природную среду. Основой для этого является оценочное эколого-геокриологическое районирование и картирование территорий на предварительных стадиях их освоения.

Исторические сведения. С 16 века известны сведения о мерзлоте (которую в Западной Европе называли «русским сфинксом»). Первое научное представление об условиях развития и широком распространении многолетнемёрзлых пород дал М. В. Ломоносов (1757). Измерения температуры мёрзлых пород, произведённые впервые в Шергинской шахте Якутска (1837) на глубине 116 м, позволили предположительно оценить мощность этих пород. В начале 20 века геокриология развивалась как направление исследований инженерной геологии, в 1925-30-е годы геокриология выделяется в самостоятельную науку, становление которой связано с именами российских учёных М. И. Сумгина, В. А. Обручева, В. И. Вернадского, Н. А. Цытовича, Н. И. Толстихина и др.

В 1929 году при Академии Наук СССР организована постоянная Комиссия по изучению вечной мерзлоты (с 1930 под председательством Обручева), на основе которой в 1939-м в Москве создан Институт мерзлотоведения Академии Наук СССР имени В. А. Обручева (ныне имени П. И. Мельникова РАН, в городе Якутск). В 1953 году на геологическом факультете МГУ создана первая в мире кафедра мерзлотоведения, где под руководством В. А. Кудрявцева сформировалась научная школа геокриологов - центр подготовки специалистов этого профиля. В 1970-м при Президиуме Академии Наук СССР в Москве образован Научный совет по криологии Земли. Организована Международная ассоциация по мерзлотоведению, первым президентом которой был избран П. И. Мельников (1983). Результаты региональных геокриологических исследований и теоретических обобщений подведены в Геокриологической карте СССР масштаба 1:2 500000 (1997), ряде монографий (Геокриология СССР в 5 томах, 1988-89; Основы геокриологии в 6 частях, 1995-2006) и др. Современная геокриология, кроме решения традиционных задач, ориентирована на исследования, связанные с экологическими проблемами при освоении природных ресурсов криолитозоны в пределах Европейского Севера, севера Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока; изучение шельфов северных морей, а также эволюции криолитозоны в истории Земли (включая фанерозой и протерозой) и её динамики в связи с естественными и техногенными глобальными изменениями климата. Кроме того, в связи с возрастающим значением изучения планет Солнечной системы в геокриологии развивается новое научное направление - криология планет.

Исследования по геокриологии ведутся в научно-исследовательских институтах РАН (Институт мерзлотоведения имени П. И. Мельникова, Якутск, 1961; Институт криосферы Земли, Тюмень; Институт геоэкологии, Москва), научно-производственных и изыскательских институтах Агентства по жилищно-коммунальному хозяйству и строительству, Министерства природных ресурсов, вузах (МГУ, Санкт-Петербургском, Читинском, Якутском и других университетах), а также за рубежом: в США, Канаде, Китае, Германии, Японии, Норвегии и др.

Лит.: Природные опасности России. М., 2000. Т. 4: Геокриологические опасности / Под редакцией Л. С. Гарагули, Э. Д. Ершова; Ершов Э. Д. Общая геокриология. М., 2002; Роман Л. Т. Механика мерзлых грунтов. М., 2002; Комаров И. А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М., 2003; Методы геокриологических исследований / Под редакцией Э. Д. Ершова. М., 2004; Хрусталев Л. Н. Основы геотехники в криолитозоне. М., 2005.