Вечная мерзлота и борьба с ней
П. Н. Каптерев. Научный сотрудник Комитета вечной мерзлоты Академии наук СССР
Многие слышали про существование вечной мерзлоты, но обыкновенно думают, что она встречается кое-где на крайнем севере.
Все эти известия были встречены с недоверием, особенно заграничными учеными. Им не верилось, главным образом, в то, чтобы огромные сибирские леса могли расти на никогда не оттаивающей подпочве. Ряд русских ученых подтвердил наличие вечной мерзлоты в Сибири, но особенно убедительны были наблюдения знаменитого ученого Миддендорфа, в 1843—1845 гг. совершившего огромное путешествие по северу и северо-востоку Азии. Он твердо установил, что там огромные пространства охвачены вечной мерзлотой, измерил в нескольких местах ее температуру, мощность ее слоя и первый попробовал нанести на карту южную границу распространения вечной мерзлоты. Поэтому Миддендорфа справедливо считают основателем мерзлотоведения, которое при советской власти вырастает в СССР в целую новую науку.
Что такое вечная мерзлота
В Европейской части Союза каждую зиму земля промерзает на различную глубину, а каждую весну целиком оттаивает. Такую мерзлоту называют сезонной. Вечно же мерзлыми грунтами называют такие, температура которых или держится ниже нуля или не поднимается выше нуля градусов непрерывно в течение от двух лет до десятков тысяч лет. Отмечено много случаев, когда в суровые и малоснежные зимы сезонная мерзлота не успевает полностью растаять за лето (особенно под моховым покровом) и остается до следующей зимы. Такие случаи называются «перелетками». Однако очень мало вероятия, что такой случай может повториться два лета под ряд. Поэтому, если мерзлота держится более двух лет, ее считают уже «вечной». Последнее название, конечно, не из удачных, но оно прочно водворилось в науке, и им приходится пользоваться.
В вечной мерзлоте находили хорошо сохранившиеся трупы вымерших животных — мамонта и волосатого носорога. Эти животные вымерли давно и жили, повидимому, тысячи и десятки тысяч лет тому назад. Их трупы могли сохраниться только потому, что за все время от их гибели и до нахождения в наше время грунт вокруг них не растаивал, иначе трупы разложились бы. А они сохранились настолько хорошо, что, например, между зубами и в желудке мамонта, найденного в 1901 г. на р. Березовке (приток Колымы), сохранилась непрожеванная растительная пища, благодаря чему удалось определить виды растений, которыми «питались мамонты. Чучело этого мамонта выставлено в Зоологическом музее Академии наук в Ленинграде.
Судя по этому, можно думать, что вечная мерзлота образовалась очень давно, вероятно, в тот период похолодания климата, который обычно связывается с ледниковым периодом. С этим согласуется и значительная мощность слоя вечной мерзлоты в Якутске и на Таймыре, превосходящая 100 м, а на Шпицбергене даже 200 м. В сравнительно южных местностях, например в Приамурье, она достигает местами 70 м (ст. Бушулей). Очевидно, требовалось очень продолжительное воздействие чрезвычайно сурового климата для того, чтобы земля промерзла на такую значительную глубину. Возможно, что раньше вечная мерзлота занимала значительно более обширную территорию, но потом в ряде местностей она исчезла, а осталась только в тех районах, где современный климат содействует ее сохранению.
Есть определенные указания на то, что в настоящее время вечная мерзлота во многих местах отступает, деградирует, и район, занимаемый ею, сокращается. Значит, мы наблюдаем постепенную ликвидацию этого наследия ледникового периода.
Распространение вечной мерзлоты
Многие слышали про существование вечной мерзлоты, но обыкновенно думают, что она встречается кое-где на крайнем севере. На самом же деле вечной мерзлотой охвачено более 40% территории СССР, и не только на крайнем севере, но и на северо-востоке Азии. Она имеется там на широте, соответствующей широте Орла или Тамбова (в Приамурье), и даже намного южнее, например в Монголии она найдена на широте Донбасса, Днепропетровска. Южная граница вечной мерзлоты проходит по низовьям Печоры, по Северному Уралу, захватывает низовья Оби и Енисея от Обдорска до Туруханска, затем круто спускается к югу по правой стороне Енисея и уходит в Монголию и Манчжурию, где она еще не изучена, и выходит на Амур, причем его низовья свободны от мерзлоты.
Вечная мерзлота бывает различна. В некоторых местах она залегает сплошной толщей на протяжении тысяч километров. Таков весь крайний север Азии. Она прерывается там только небольшими «отдушинами», через которые выходят на поверхность крупные источники воды. Южнее среди вечной мерзлоты попадаются острова талого грунта, или «талики», как их там называют. Наконец, есть много местностей с талым грунтом, в котором попадаются острова вечно мерзлого грунта. Конечно, эти виды мерзлоты далеко не всегда следуют в таком порядке с севера на юг. Здесь имеет значение не только широта местности, но и множество других условий.
Вечная мерзлота имеется не только в СССР. Ею занято более половины Канады, Аляска, Гренландия и множество северных островов, вроде Шпицбергена. По всей вероятности, вся Антарктида тоже скована вечной мерзлотой, но до сих пор это в точности не выяснено.
Несмотря на такое широкое распространение вечной мерзлоты, она доселе еще недостаточно изучена. Иностранная наука в этом отношении мало может нам помочь, она уже значительно от нас отстала, и мы можем сказать, что мерзлотоведение создается в настоящее время трудами советских ученых.
Почему трудно строить на вечно мерзлоте
Сам по себе мерзлый грунт — прекрасное основание для всякой постройки, потому что он крепок, как камень, пока он мерзлый. Однако строительство на вечной мерзлоте представляет большие трудности, так как возводимые там сооружения деформируются, перекашиваются, трескаются и даже разваливаются.
В этом виновата вода. Из физики известно, что когда вода замерзнет, она увеличивается в объеме на 9%. От этого, например, разрывает бутылку с водой, если ее заморозить. Сила расширения воды при замерзании очень велика: если вода замерзает в трещинах камня, то камень разрывает, разрываются каменные и бетонные стены или фундаменты. В земле всегда есть вода. А в районах вечной мерзлоты воды в земле особенно много. Там земля оттаивает летом неглубоко, на 1—2,5 м, а под мхом мерзлоту и даже лед можно найти летом на глубине в 0,5 м и даже меньше. В глубину мерзлота идет на несколько десятков, а кое-где и на сотни метров.
Мерзлый грунт не пропускает сквозь себя воду. Летом в тех местах бывают большие дожди и ливни. Вода не может впитаться глубоко в землю, ей мешает мерзлота. Когда зимой эти пропитанные водой верхние слои земли замерзают, вода расширяется и землю начинает пучить. Вниз расширяться нельзя, не пускает мерзлота, вбок тоже нельзя, там тоже замерзающая земля. Поэтому влажный замерзающий грунт может только приподниматься вверх. Понятно, что при этом приподнимается все то, что находится на поверхности земли или зарыто в нее неглубоко. Это было бы незаметно и неопасно, если бы земля везде поднималась одинаково. Но- вся беда в том, что в одних местах она поднимается больше, а в других меньше, в одних раньше, в других позже. Например, под длинными домами земля скорее промерзает у их концов, а в середине, где всего теплее, промерзание сильно запаздывает. От этого у дома приподнимаются края, а середина оказывается просевшей. Вид дома напоминает китайскую пагоду с приподнятыми концами крыши.
Весной наступает новая беда. Земля начинает оттаивать, но опять неравномерно. Прежде всего она оттаивает у южных стен. Грунт здесь размягчается и садится на свое место, а тяжелое здание оседает в этот мокрый, вязкий грунт. В то же время северная стена здания еще приподнята и стоит на прочной мерзлоте. Поэтому все здание наклоняется на южную сторону и при этом перекашивается.
При первом взгляде на селения, расположенные в таких «пучащих» районах, удивляют печные трубы. Как будто солидно построенные дома, но вместо кирпичных печных труб сквозь крыши торчат жалкие железные трубки, вроде самоварных. Оказывается, что печные трубы или рухнули при пучении и оседании дома или их разобрали во избежание пожара, так как все трубы растрескались.
Но этого мало. Когда землю пучит при замерзании, и она тащит с собой вверх зарытые в нее столбы и фундаменты, то при оттаивании земли они часто не садятся обратно на свои места. Земля опустилась, а столб остался «выпученными. В следующую зиму все повторяется снова, и столб выпучивается еще больше. Случалось видеть скамейки в саду, на которые уже нельзя было сесть,— ноги не доставали до земли, так эти скамейки выпучило. Это выпучивание очень вредит, например, телеграфным столбам, которые через несколько лет выдергиваются из земли, наклоняются и отказываются служить. Еще хуже сказывается это пучение на фундаментах здания. Так как пучит в разных частях здания по-разному и в разное время, то здание оказывается перекошенным и может разрушиться.
Бывают и такие случаи. На одном заводе построили печь для пекарни так, как их делают у нас, где нет мерзлоты. Через год печь стала «тонуть» в земле и ушла под пол. Делать нечего, нужно строит новую печь. Воспользовались утонувшей печью как фундаментом и на ней построили вторую печь. Однако и эта работала недолго и потом тоже «утонула». Теперь на ней построили третью печь и надеются, что четвертой строить уже не понадобится. Отчего это произошло? От того, что очень близко под печью была даже не мерзлота, а сплошной лед толщиной около 3 м. От тепла печи он таял, и печи тонули в образовавшейся жидкой грязи.
Что такое наледи
Небольшие реки в районах вечной мерзлоты обыкновенно промерзают до дна. Но вода из разных источников все же прибывает. Куда ей деваться? В глубину земли она уйти не может, ей остается только выход наружу. А наруже стоят жесткие морозы. Поэтому получается удивительная картина: лед на реке неровный, часто поднятый посередине или высоким горбом или с отдельными ледяными буграми, иногда очень красивого синего цвета. Берега реки часто залиты льдом на большом протяжении, а поверх льда во многих местах выступает вода. Это — речные наледи. В Якутии их называют тарынами.
Еще интереснее наледи не на реках, а на сухом месте. Бьет, например, летом ключик, совсем незаметный. Его вода стекает куда-то в болотистой почве. Но зимой, когда земля -уже замерзла, ключик еще долго продолжает подавать воду. Она теперь выступает на поверхность земли и замерзает, образуя бугры и целые ледяные поля. Они-то и называются грунтовыми наледями.
Ледяные бугры наледей бывают иногда очень велики — в 3—4 м высотой, а в ширину наледи разливаются иногда на несколько кв. километров. Случается в жаркий летний день видеть в тайге еще не растаявшие ледяные бугры. Некоторые из них иногда так и не успевают совсем исчезнуть до следующей зимы.
Наледи неприятны тем, что заливают дороги и даже строения. По залитой наледью дороге ни пройти ни проехать, особенно если наледь растет всю зиму. Еще хуже, когда наледь выходит на полотно железной дороги. Приходится постоянно скалывать лед.
Вода иногда прорывается под домами
Когда зимой земля промерзает сверху, то той воде, которая течет невидимыми подземными потоками по вечной мерзлоте, некуда деваться. Часто она просто замерзает и тогда приподнимает землю буграми. Но если воды много, и она продолжает прибывать, то понятно, что она стремится найти себе выход наружу. От этого образуются грунтовые наледи. Иногда вода находит себе выход в подполье домов, потому что там грунт не успевает еще целиком промерзнуть. Тогда получаются удивительные картины.
В феврале 1934 г. близ столярной мастерской у ст. Сковородино Амурской ж. д. стало пучить землю, появились бугры, а затем вода прорвалась под полом мастерской. Стояли сильные морозы, поэтому вода быстро замерзала. Жители дома побросали все и ушли. Конечно, они не могли утонуть, но нельзя было ходить по льду, заливаемому водой, — примерзали ноги, тем более что там зимой все ходят в валенках. Замерзающие потоки вышли из окон и дверей дома, кругом него все залило льдом, и в марте я свободно входил по льду прямо на чердак дома, от которого осталась над ледяным полем одна крыша. Еще в июне внутри этого дома все было забито льдом к великому удовольствию мороженщиков, вывозивших лед из этого дома целыми ящиками. Потом дом пришлось разобрать, так как лед его сильно повредил.
31 января 1936 г. поблизости от этого дома и от путей железной дороги вода прорвалась в подполье общежития для рабочих. Они выкопали под домом яму для хранения картофеля. В этой-то яме и прорвалась вода, и так быстро, что успели вытащить одежду, посуду, но кроватей и шкафов вытащить не смогли, они уже примерзли. Вода бурным потоком вырывалась из-под угла дома наружу и заливала окрестность дома. Так как мороз был более —35°, то над всем затопленным местом стоял густой туман. Какой-то возчик на санях въехал в этот туман. Сани остановились и примерзли. Возчик догадался вскочить на лошадь и ускакать, а сани с поднятыми оглоблями остались, и их продолжало заливать льдом. Скоро попал туда же грузовик, его едва вытащили трактором.
Тогда мы пробили в земле отверстие метрах в 200 выше дома, где предполагалось русло подземных вод. Из отверстия хлынула вода, до 900 м3 в сутки, и образовала новую наледь. Но зато в доме и около него рост нижней наледи прекратился. Этим отвели опасность от путей железной дороги. Затем и у отверстия земля замерзла, ход для воды закупорился; тогда наледь стала образовываться еще выше и скоро залила один ветхий домик. Уже в марте 1936 г. он был залит льдом до крыши.
Конечно, такие вещи случаются не часто, но все же в районах вечной мерзлоты приходится следить за подземными водами и выпускать их в безопасных (местах, а не давать прорываться там, где им удобнее.
Вода производит взрывы
Трудно заподозрить воду, которую мы постоянно пьем, в способности производить взрывы. Однако при некоторых условиях она может взрывать не хуже пироксилина или аммонала. В этом убедил ряд лабораторных опытов, произведенных в 1935 г. на Сковородинской научно-исследовательской мерзлотной станции (ДБК), а также ряд невольных опытов и наблюдений в природе. Например, на ст. Уруша Забайкальской ж. д. запасали лед на лето, замораживая воду в подобии огромного ящика размерами в 25 X 10 X 5 м. Однажды, в начале февраля 1932 г., этот ящик с страшным грохотом взорвался, огромные глыбы льда летели по воздуху более 20 м и осколками льда засыпало железнодорожные пути. Внутри взорвавшейся ледяной призмы было довольно значительное жидкое ядро. Еще грандиознее был взрыв наледного бугра на р. Онон (на 124 км Амуро-Якутской магистрали). Уже накануне бугор сильно трещал и вздрагивал, а в 5 час. утра 28 марта 1928 г. взорвался, разбросав в стороны громадные глыбы льда и грунта. Самая большая глыба была размерами 19 X 5 X 2 м, а общий вес пяти выброшенных глыб достигал 453 т. Из бугра вырвалось огромное количество воды, отнесшее некоторые глыбы на 120 м. При этом был уничтожен небольшой мост на дороге.
Такие взрывы происходят потому, что вода, замерзающая в замкнутом пространстве, оказывается заключенной как бы в плотный футляр, Этим создается большое препятствие для расширения воды и при дальнейшем замерзании внутри футляра получается большое давление, усиливающееся с каждым днем. Кроме того, вода внутри футляра оказывается переохлажденной, т. е. с температурой ниже 0°. Такая вода в подходящий момент обыкновенно замерзает сразу в большом количестве, что мгновенно резко увеличивает давление внутри бугра-футляра, и он взрывается со страшной силой, причем выбрасываются остатки воды.
Советские ученые и инженеры побеждают вечную мерзлоту
Узнав о всех трудностях и неприятностях, доставляемых вечной мерзлотой, некоторые могут подумать, что на вечной мерзлоте ни жить ни строить нельзя. Нет, конечно, на ней можно и строить и хорошо жить, тем более что природные богатства охваченной вечной мерзлотой территории очень велики. Нужно только научиться жить и строить на мерзлоте, а для этого нужно изучить все свойства вечной мерзлоты. Американцы строят на мерзлоте, например, железные дороги (правда небольшие) без предварительного изучения, и эти дороги у них коверкаются, пучатся, проваливаются. Но так как они обслуживают по большей части прииски, дающие огромные доходы, то американцы предпочитают скорее тратить ежегодно значительные суммы на ремонт, нежели ждать, когда можно будет построить хорошие дороги.
Мы не можем идти этим путем хищнического капиталистического хозяйства. Мы должны строить прочно, дешево и скоро. Освоение севера и всего района вечной мерзлоты идет у нас огромными шагами, а пойдет еще быстрее. Сейчас строятся дороги, поселки, заводы, целые города на мерзлоте. Нельзя еще сказать, что советские ученые полностью овладели всеми «секретами» вечной мерзлоты, но мы уже знаем основные правила жизни и строительства на ней. Этого мы достигли в самые последние годы благодаря гигантскому размаху социалистического строительства.
Например, нужно построить здание на мерзлоте так, чтобы его не пучило зимой и чтобы летом оно не оседало. Этого можно достичь разными способами. Один из них таков: в землю загоняют сваи на такую глубину, чтобы они наполовину сидели в вечной мерзлоте, а наполовину в верхнем оттаивающем слое, который является самым зловредным, так как он-то и «пучит». Обыкновенно такие сваи приходится загонять на глубину 5—6 м. Однако просто забить сваю в мерзлоту никак не удается, — мерзлота слишком крепка. Поэтому нужно пустить в дело «паровую иглу». Это длинная железная труба, нижний конец которой несколько сужен, и около него в трубе просверлено много отверстий, а другой конец трубы соединяется шлангом с паровым котлом (например от локомобиля). Когда пускают горячий пар, игла быстро отогревает мерзлоту и входит в нее на желаемую глубину. Получается вроде мешка мягкого талого грунта, в который уже нетрудно вбить сваю даже ручным способом. Через некоторое время грунт внизу начнет снова замерзать, и мерзлота «схватит» сваю снизу. После этого уже никакие силы не смогут ни выдернуть сваю, ни вдавить ее вглубь. На пятистах сваях, вбитых таким способом, построен, например, целый завод в Игарке на Енисее, городе за полярным кругом.
Можно сделать иначе. Например, построить здание на столбах, зарытых метра на 2,5, но внизу соединенных между собою сплошными связками в два бревна, лежащих рядом. Эти нижние скрепы тоже не позволят столбам подниматься вверх при пучении и зданию оседать при летнем оттаивании грунтов. Этот способ тоже испробован и дал хорошие результаты.
Так как главным «вредным элементом» в области вечной мерзлоты является вода, то ее нужно отводить от фундаментов, насыпей, выемок и от всех тех мест, где она может прорваться; вообще нужно по возможности осушать почву.
Иногда бывает выгодно заставить вечную мерзлоту подняться вверх, чтобы верхний «пучащий» слой был возможно тоньше. Для этого зимой покрывают поверхность земли шлаком, торфом, опилками, строительным мусором, и под этим прикрытием земля оттаивает летом очень неглубоко — получается «горб» вечной мерзлоты. Вообще приходится широко применять теплоизолирующие средства, например, для того, чтобы тепло из отопляемых зданий, а тем более из горячих цехов, не проникало через фундаменты или через пол в землю и не оттаивало вечной мерзлоты. Различные способы теплоизоляции уже разработаны и испробованы.
Особые трудности испытывает, и водоснабжение в условиях вечной мерзлоты. Обыкновенно к февралю мелкие реки там полностью промерзают воду можно достать только из ключей, образующих наледи. Проложить линию водопровода на значительное расстояние трудно, так как вода замерзнет и разорвет трубы. Однако теперь трудами советских инженеров уже найдены способы подачи воды на значительные расстояния, и работает ряд водопроводов, из которых некоторые подают воду за 8—9 км.
Так советская наука берет одну позицию за другой у стихийного врага — вечной мерзлоты, и можно с уверенностью сказать, что скоро мы научимся распоряжаться ею по нашему желанию. Над этим работает несколько учреждений различных ведомств, несколько мерзлотных станций на местах, а также специальный Комитет по вечной мерзлоте Академии наук СССР.
Москва
14/IX 1936
Статьи по теме
- Путешествие в вечную мерзлоту
- МЕРЗЛОТА ТАК И ОСТАНЕТСЯ ВЕЧНОЙ
- Температура слоя вечной мерзлоты неуклонно растет
- Вечная мерзлота отступает. Что совсем не радует
- Оживление организмов из вечной мерзлоты
Читайте в любое время
