С понятием о мерзлой почве обычно соединено представление о холодном климате с продолжительной зимой и коротким летом и годовой температурой не выше +1°. Таковы условия севера евразийского континента и Северной Америки. Здесь вечномерзлая почва есть вполне естественное явление, можно сказать - узаконенное самой природой. Другое дело, когда мерзлая почва открывается далеко от полярного круга к югу, как например, в Восточной Сибири под 50° широты. Такие места еще в начале прошлого столетия были полной неожиданностью и невольно обращали на себя внимание, так как ученые не могли объяснить их одной лишь низкой годовой температурой.
Причины образования вечномерзлой почвы в широтах южные полярного круга (севернее они теряют интерес), десятки лет занимал ученых того времени. Миддендорф, Бэр, Лопатин, Вильд, Поляков, Воейков, Ячевский, Залесский и многие другие посвятили этому интересному явлению ряд статей, в которых достаточно осветили его.
Вильд вывел, что слой вечномерзлой почвы может существовать только в тех местах, где средняя годовая температура равна -2°С. Воейков указал на большую роль снежного покрова. Ячевский добавляет к этому влияние летних осадков и других, чисто местных, причин. В итоге, к началу 1900-х годов большинство авторов склоняется к тому, что образование мерзлой почвы нельзя сводить к одной причине, а необходимо принимать во внимание кроме климатических, еще топографические, геологические, гидрологические, почвенные и другие условия местности. Этим объясняется, почему граница вечномерзлой почвы не совпадает с изотермой - 2°С. «Эта граница - говорит Ячевский - по натуре самого явления, по сложности его, должна представлять линию, весьма сходную с береговой линией весьма изрезанного материка, окаймленного многочисленными островами».
Граница мерзлой почвы к 1900 году проводилась следующим образом: от устья Мезени через нижнее течение реки Печоры к Березову, отсюда на Нижнюю Тунгузку, в небольшом расстоянии от правого берега реки Енисея на юг до реки Ангары, по ней до верховьев Лены. Здесь граница поднималась вверх, и между Витимом и Олекминским поворачивала круто к югу в Забайкалье, которое охватывала сплошным покровом. Огибая Байкал южнее Иркутска, она шла на запад по горам и терялась на южных отрогах хребта Сайлюгем. На юго-востоке, она уходила до широты города Урги, откуда направлялась на северо-восток, проходя севернее города Благовещенска на Удский Остров и далее на северо-восток к перешейку Камчатки. Здесь годовая изотерма в -2°С совпадала с границей лишь приблизительно. До Ангары изотерма шла южнее границы, от Ангары до Амура - севернее.
Как видим, годовая изотерма в 2°С, а также южная граница мерзлой почвы лежали далеко за пределами современного Казахстана и казахской степи, и едва ли можно было теоретически допустить существование мерзлой почвы в степях Семипалатинской области. И, тем не менее, оказалось, что мерзлая почва далеко не укладывается в указанные границы, и что теоретические рамки возможности существования ее придется еще расширять и на счет таких мест, где менее всего можно было ожидать, как, например, в Каркаралинском уезде Семипалатинской области.
Островок мерзлой почвы найден был ученым А. Сидельниковым 18 июля 1907 года у южной подошвы гор Улькун-Беркуты, в 300 верстах от города Семипалатинска по Майлигоринскому тракту и в 60 верстах от города Каркаралинска.
Горы Улькун-Беркуты считались самыми обычными возвышенностями, каких немало было в Каркаралинском уезде. Они тянутся в широтном направлении верст пять, образуя невысокий (около 100 саженей под равниной) кряж. Вершины с южными и юго-западными склонами несут следы большого выветривания. Можно отметить разве только одну особенность - на северных склонах снег задерживается иногда до середины мая, тогда как на окружающей равнине сходит в марте. У вост.-юго-восточ. склонов гор на глубине 1-1,5 арш. накапливается почвенная вода, которая ниже образует сырой луг (мочежину), еще ниже - дает один из истоков речки Сарыбулак. В 1,5 вер. отсюда воды скопляются настолько, что она образует сплошное, хотя и слабое течение, входит в русло и огибая подошву гор, поворачивает на запад. Здесь долина речки достигает 30 саж. Ширины. Русло извилистое 1,5-2 саж. шир. Лежит ближе к левому берегу долины. Часть долины, заливаемая весенней водой, покрыта кочками. Одни из них древние, довольно крупные - до 1 арш. высоты и 3 четв. в диаметре, другие возрастом моложе, лежат на сырых местах долины, величиной до 0,5 арш. высоты и 0,5 арш. в диаметре. Те и другие сложены из темно-сероватого солонцеватого ила. Растительности по долине мало, изредка мелкие осоки и солянки.
К левому берегу, который поднимается над водой на 0,75-1 арш., подходит большая суглинистая степь с массой гальки средней величины на поверхности и в толще почвы. Степь тянется около 5 верст вдоль речки, с востока на запад, и версты две на юг, переходя в невысокие голые холмы.
Правый берег долины образован обрывом подошвы г. Улькун-Беркуты: он сложен сверху из легкого суглинка, в котором много хряща и щебня; подпочва белесоватая глина, богатая известью: до 2 арш. глубины состав ее оставался тот же.
В этой части долины реки Сарыбулак и была обнаружена мерзлая почва.
Образцы ее были взяты в двух местах. Первый образец взят на кочковатом, залитом лугу. Здесь под водой на глубине 6 вершков лежал слой вязкого темно-синего ила, толщиной до 3 верш. Ниже он уплотнялся и, на глубине 12 вершков, переходил в мерзлый. Оторванные куски мерзлого ила были пронизаны мелкими иглами, пластинками и комочками льда, совершенно прозрачного. Позже высохшие комки этой мерзлой почвы слились в однообразную весьма плотную массу. Химический анализ этого образца был произведен лаборантом Акмолинского переселенческого района Н.А. Лебедевым. Он нашел следующее:
Второй образец был взят на сухом месте, в 4 саж. от первого. Выемка произведена почвенным буром (типа Болькена). Мерзлая почва началась на глубине 6 вершков и продолжалась на 5,5 четвертей. Размер бура не позволил углубиться далее, но не было сомнений, что мерзлая почва была и глубже. Извлеченные куски мерзлой почвы были деформированы и не передавали ее настоящей структуры, однообразная синевато-темно-серая масса ила была пронизана массой пластинок прозрачного льда, причем одни из них были расположены почти под прямым углом с другими. У этого образца было произведено измерение температуры, для чего термометр обкладывался толстым слоем только что вынутых комков мерзлой почвы. Измерение дало +1°, т.е. температуру тающего льда. Объяснить положительную температуру мерзлой почвы можно или условиями измерения (в атмосфере с t° в 12°) или тем, что мерзлые слои, находясь под давлением, имеют точку замерзания выше 0°.
По химическому составу этот образец, вероятно, был близок к предыдущему, но содержание гумуса в нем было значительно меньше. Образец был взят на сухом месте долины и на большей глубине, гумуса в твердом виде и в растворах может попадать сюда лишь ничтожное количество.
Физические признаки этого образца в сухом виде (два месяца спустя) были таковы: цвет серовато-пепельный однообразный, местами пятна ржавчины и яшмовидные (слоистая полосатость). Основная масса пылеватой структуры весьма значительной плотности. Под увеличением до 250 раз пылинки оказались прозрачными кристаллами с шероховатой поверхностью: некоторые обнаруживали ячеистое строение. Среди массы минерального вещества встречены органические остатки; одни из них имели червеобразную форму, сквозь прозрачную массу можно было различать на средине темную линию, напоминающую пищеварительный канал, но может быть это были остовы водорослей или даже корневые волоски. Другие имели форму скрещенных палочек. В общей массе эти включения являлись, однако, очень редкими. Поверхность излома слегка шероховатая, иногда немного раковистая. Местами обнаруживалась поздреватость с гладкими поверхностями; причина ее - скопление в этих местах воды от стаявших почвенных льдинок: эти же струйки воды придали в некоторых местах частицам образца вихревое расположение.
Где же искать объяснение образованию здесь мерзлой почвы? Вывод академика Вильда, что мерзлая почва возможна только там, где годовая температура -2°С., по-видимому, не имеет здесь силы. По данным Главной Физической Обсерватории, на основании всех имевшихся данных о климате Каркаралинского уезда до 1899 года, средняя годовая t° здесь должна быть около 4° тепла. Если допустить, что эти данные не совсем точны, так как для г. Каркаралинска нет многолетних наблюдений, и взять средней - 1° между г. Акмолинском и Семипалатинском (г. Улькун-Беркуты между ними), для которых есть многолетние наблюдения, то и тогда для нашей местности годовая температура будет +1,8°.
Очевидно, главная причина образования мерзлоты - местные условия. Из них большое значение (1) почти отсутствие здесь снежного покрова, (2) действие зимних холодных ветров и (3) присутствие холодного источника.
По словам местных казахов, долина Сарыбулака почти всю зиму бывала обнажена от снега, а следовательно, почва открыта влиянию юго-западных и западных ветров, весьма частых зимой и холодных. Ветры производили большое охлаждение почвы и способствуют ее промерзанию. По данным Главной Физической Обсерватории зимой в средней части Каркаралинского уезда осадков менее 25 милл.; продолжительность ледяного покрова до 150 дней; со средней t° ниже 0 - 160 дней, t° в 0° устанавливается в конце октября (по март), в ноябре - 4°, декабре - 12°, январе -14° и марте 6°.
Третья причина - присутствие холодного подземного родника не подлежало сомнению. За это говорила величина и количество ледяных пластинок в мерзлой почве. Если б они произошли путем концентрации паров почвы, едва ли могли быть так велики. Предположение, что вода попадала с поверхности, также не может иметь места, потому что плотный водоупорный верхний горизонт едва ли был способен пропустить ее. Вероятнее было предположить, что мерзлая почва получает влагу из родников. В верхнем течении речки, в 40 саж. от места выемки мерзлой почвы, вода плеса была очень холодная (+4°С). Очевидно, это плесо получало воду из глубоколежащего источника и, вероятно, давало воду круглый год. Скопляясь под водонепроницаемыми пластами долины, вода, в конце концов, их разжижала и выступала на дневную поверхность. Летом она от больших жаров и сильных ветров испарялась. Зимой лишенная снега и открытая ветру долина сильно охлаждается и почва промерзает на значительную глубину. Весной и летом успевает оттаять лишь незначительный слой почвы, так как вода речки, хотя и имеет в среднем t° до 15°, но благодаря своей незначительной теплопроводности и большой теплоемкости, служит хорошей защитой от нагревания. Яркое подтверждение этому дает первый образец: там мерзлая почва была покрыта водой, верхний слой который имел +19°.
Местные казахи нисколько не удивлялись присутствию мерзлой почвы. Они говорили, что издавна доставали здесь летом лед для питья, так как вода в речке была слабо-солоноватая и грязная. По-видимому, мерзлая земля здесь была не случайным, а постоянным явлением.
