В вертикальном разрезе криолитозоны выделяют три слоя (полярный покровный комплекс, по А.И.Попову, 1967). Верхний слой называется деятельным, это слой сезонного протаивания. Его мощность в целом увеличивается с севера на юг до трех-четырех метров и зависит от теплопроводности и водопроницаемости горных пород: песчаные грунты протаивают глубже глинистых, а те в свою очередь глубже, чем торф. В деятельном слое породы регулярно переходят из мерзлого в талое состояние и обратно, что находит выражение в криотурбации – перемешивании грунта, с которым связано образование специфических форм мерзлотного микрорельефа.

Деятельный слой подстилается мощными постоянно мерзлыми толщами. В верхней их части (второй слой) еще происходят сезонные колебания отрицательной температуры, которые сопровождаются механическими напряжениями и растрескиванием. Еще ниже, начиная с глубины примерно 10 м, отрицательная температура пород сохраняется постоянной на протяжении всего года – это третий наиболее мощный слой, своего рода фундамент криолитозоны.

Сезонномерзлые грунты, возникающие везде, где определенное время удерживаются отрицательные зимние температуры, по сути состоят из одного деятельного слоя. Однако протекающие в нем процессы (пучение, сортировка грунта, растрескивание и др.) не столь активны, как в деятельном слое криолитозоны, из-за отсутствия подстилающей многолетней мерзлоты, которая играет роль водоупора и влияет на распределение давления в грунте.
Развитие мерзлоты может протекать эпигенетически (промерзает уже сформировавшаяся ранее порода) и сингенетически (формирование грунта и его промерзание происходят одновременно). Первый путь типичен для возвышенностей, где преобладает денудация, и по мере сноса коры выветривания промерзание проникает в глубь толщи пород. Второй путь характерен для низменностей, где доминируют аккумулятивные процессы, например накопление аллювия в речных долинах.

Подземный лед как неотъемлемый компонент мерзлых грунтов может находиться в них в разных формах – от порового и капиллярного до крупных ледяных линз и жил. Обычно различают: лед-цемент – без скоплений рассеян между частицами рыхлой породы; сегрегационный лед – имеет вид ледяных прослоек, выделяющихся при замерзании тонкодисперсных (глинистых и пылеватых) грунтов; инъекционный лед – образуется при внедрении воды в трещинах и водоносных горизонтах; полигонально-жильный лед – формируется в результате замерзания в морозобойных трещинах попавшей в них с поверхности воды. Кроме того, подземный лед может быть погребенным – это бывший наземный лед, перекрытый минеральными осадками.

Мерзлотные (криогенные) процессы и формы рельефа

К основным мерзлотным процессам относятся: морозобойное растрескивание, морозная сортировка рыхлого материала, пучение и образование наледей, морозное выветривание, криогенный крип, солифлюкция, термокарст. Большинство мерзлотных форм рельефа имеет комплексное происхождение, т.е. в их образовании принимали участие разные криогенные процессы. Криогенез протекает главным образом в двух верхних элементах полярного покровного комплекса, причем наибольшая активность связана с деятельным слоем. Поэтому по размерам мерзлотные формы обычно невелики и относятся к микро- или мезорельефу. Они располагаются на поверхности более крупных форм, которые имеют тектоническое, эрозионное или другое происхождение.

На характер криогенного рельефообразования оказывают влияние многочисленные факторы: климат, эпигенетическое или сингенетическое промерзание, мощность и льдистость мерзлых пород, механический состав грунтов деятельного слоя, экспозиция и наклон склонов и т.д. Это приводит к тому, что мерзлотные формы одного типа, но из разных районов порой существенно отличаются друг от друга.

Морозобойное растрескивание

Происходит при сильном и быстром охлаждении грунта, обычно в ясные зимние ночи. Глубина проникновения трещин достигает 3-5 м и более. Сеть морозобойных трещин, как правило, имеет упорядоченные очертания, образуя рисунок полигонов (четырех-, пяти- или шестиугольники). Наиболее крупные полигоны наблюдаются в пределах низменных приморских равнин, где более высокая влажность воздуха смягчает суточные температурные контрасты. Напротив, наиболее густая сеть трещин возникает в резко континентальных условиях.

В теплое время года морозобойные трещины заполняются водой и разжиженным грунтом. Осенью вода замерзает, образуя жилы, которые неоднократно нарастают и значительно расширяют трещины – до первых метров у поверхности.

Если в данной местности климат становится теплее и полигонально-жильные льды вытаивают, то расширенные ими трещины заполняются минеральным грунтом – так возникают грунтовые жилы. Такие грунтовые жилы в погребенном состоянии в большинстве случаев служат важным палеогеографическим свидетельством существования здесь мерзлоты в прошлом.

Морозная сортировка

Эта сортировка часто дополняет морозобойное растрескивание. Она неоднородна по механическому составу грунтов деятельного слоя. Результатом их совместной работы становятся каменные полигоны или, реже, каменные кольца. Процессы морозобойной сортировки происходят следующим образом. Мелкозернистые (песчано-глинистые) участки грунта, обладая большой влагоемкостью, при замерзании значительно увеличиваются в объеме. При этом они выталкивают более крупные обломки (щебень, гальку, валуны) к поверхности и по направлению к морозобойным трещинам. Многократное повторение замерзания-оттаивания постепенно приводит к отчетливо выраженной дифференциации грунта, которая обычно наблюдается лишь в верхней части деятельного слоя (до 0,5 – 0,8 м) и постепенно затухает с глубиной.

Если грунты деятельного слоя не содержат крупных обломков, механизм морозной сортировки приводит к образованию широко распространенной пятнистой (или медальонной) тундры. Пятна-медальоны располагаются внутри трещинных полигонов и имеют округлую или овальную форму, их поверхность глинистая и лишена растительности.

Пучение и образование наледей

Процессы криогенного пучения в большей степени связаны с замерзанием свободной воды. Различают сезонные и многолетние бугры пучения. Сезонные бугры пучения возникают при зимнем промерзании деятельного слоя: грунтовая вода в нижней его части оказывается под давлением (снизу находится мощная многолетняя мерзлота) и вспучивает над собой верхний промерзший слой. В случае большого давления может произойти взрыв и излияние воды на поверхность с образованием грунтовой наледи. Сезонные грунты пучения невелики по размерам (высота обычно не более 0,5 м при поперечнике 2-3 м); в теплое время года ледяное ядро таких бугров вытаивает, и они разрушаются.

У многолетних торфяных бугров мерзлое ядро летом сохраняется благодаря низкой теплопроводности торфа; год от года они могут нарастать и достигают высоты в несколько метров. Менее крупные (обычно не более 1 м) многолетние бугры пучения развиваются в глинистых и суглинистых грунтах, обладающих лучшей теплопроводностью. Они получили название «бугров-могильников». Летом мерзлота в них вытаивает, но насыщенный водой глинистый грунт набухает и удерживает форму небольшого холма.

Наиболее крупные многолетние бугры пучения образуются в пределах низменных заболоченных участков. Их высота может достигать десятков метров при поперечнике в первые сотни метров. Под торфяной оболочкой у таких бугров залегает ледяное ядро, с возникновением и ростом которого и связано вспучивание поверхности. Эти крупнейшие многолетние формы пучения называют гидролакколитами. Часто используются также названия: якутское булгунях и эскимосское пинго.

В отличие от форм пучения наледи образуются в результате излияния воды на поверхность и ее замерзания там (а не в толще грунта) в виде более или менее обширного ледяного тела.

Морозное выветривание

На плоских вершинах гор в лишенной растительности зоне, а также на междуречьях плато и плоскогорий в результате активного физического (температурного и морозного) выветривания развиваются щебнисто-глыбовые каменные моря.

Солифлюкция

Солифлюкцией называется течение переувлажненного грунта во время сезонного его оттаивания. Такой грунт даже на небольших уклонах местности, достигающих иногда всего лишь доли градуса, может растекаться.

Сезонные промерзания и оттаивания почв протекают и вне зоны многолетней мерзлоты, приводя к тем же явлениям в условиях обводненности и при некотором уклоне поверхности. В горных районах в результате солифлюкционных процессов образуются натечные террасы, курумы и каменные потоки, структурные почвы и нагорные террасы.

Натечные терраса (оплывины) имеют форму небольшого языка, площадью от нескольких метров до сотен метров, с крутым обрывом внизу. При сползании слоев пласты сминаются и часто разрываются.

Курумы и каменные потоки (каменные реки, каменные моря) представляют скопления остроугольных глыб, имеющих различные размеры. Движение их осуществляется вниз по склону за счет скольжения глыб по увлажненной и промерзшей щебневой подстилке. Подобные формы рельефа также встречаются вне зоны многолетней мерзлоты. Они могут указывать на происшедшие изменения климата.

Нагорные террасы образуются в высокогорных областях на склонах гор. Они возникают на различных уровнях одиночных гор, и это отличает их от речных, озерных и морских террас. Внешне такие террасы представляют относительно ровные поверхности, ограниченные уступами. По С.В.Обручеву, они образуются в результате солифлюкционных процессов. По С.Г.Бочу и И.И.Краснову, нагорные террасы возникают вследствие снежно-морозного выветривания вдоль края снежника.