Устойчивость криогенных ландшафтов на северном участке трассы железной дороги Якутии

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.345:502.5

Устойчивость криогенных ландшафтов на северном участке трассы

железной дороги Якутии

И. С. Васильев, А. Н. Федоров, С. П. Варламов, Я. И. Торговкин, А. И. Васильев, А. А. Шестакова

На основании первичных материалов полевых мерзлотно-ландшафтных исследований и инженерно-геологических изыскательских работ, выполненных в течение ряда лет, проведена оценка устойчивости мерзлотных ландшафтов северного участка строящейся железной дороги Якутии. Определены критерии и параметры выделения категорий устойчивости ПТК. Составлена карта устойчивости на ландшафтной основе типов урочищ в масштабе 1: 25000. Разработанные принцип определения и метод составления крупномасштабной карты устойчивости ПТК могут быть использованы для выполнения подобных работ как в равнинных, так и в горных районах.

The stability of permafrost landscapes along the northern section of the railway under construction in Yakutia is evaluated, based on data obtained from several years of field permafrost-landscape investigations and engineering-geological reconnaissance. Criteria and parameters are defined for identifying landscape stability categories. A 1: 25000-scale landscape stability map based on stow type has been compiled. The principle for landscape stability assessment and the large-scale mapping method can be applied for similar undertakings both in lowland and mountain areas.

Ключевые слова: криогенные ландшафты, категории градаций устойчивости, экзогенные процессы, ландшафтная основа.

Экологическая оценка мерзлотных ландшафтов является неотъемлемой задачей научного сопровождения при строительстве и эксплуатации крупных линейных сооружений, таких, как железная дорога. Одной из подобных оценок является определение устойчивости при-родно-территориальных комплексов (ПТК). В данном сообщении оно выполнено в масштабе 1 : 25000, то соответствующими этому масштабу выделами ПТК являются типы урочищ. В традиционном картографировании типов урочищ, одного из основных единиц крупномасштабного картографирования, учитывается принцип наложения ряда факторов, в первую очередь, геоморфологических и геоботанических [1]. Дифференциация ПТК в основном определяется разнообразием и динамикой развития рельефа. Поэтому ландшафтные рубежи определяются границами геоморфологических элементов (мезоформ) рельефа, так как даже небольшие изменения в рельефе влекут за собой соответствующие изменения в растительности, в мерзлотных характеристиках, почвах и микроклимате. Пространственной моделью оценки устойчивости типов урочищ на северном участке трассы железной дороги Томмот—Кердем принята ландшафтная карта масштаба 1 : 25000, фрагмент которой демонстрируется на рис. 1. Структура сочетания ПТК показана в табл. 1. Данное сообщение основывается на материа-

лах мерзлотно-ландшафтных исследований Института мерзлотоведения СО РАН и инженерно-геологических изысканий, проведенных производственными организациями за 1981—1982 и 2005—2006 гг.

Методика

Под устойчивостью ландшафтов понимается способность противостоять появлению или активизации мерзлотно-геологических процессов при техногенных воздействиях [2]. Наиболее высокая степень нарушения ландшафта связана с перестройкой литогенной основы. В этом отношении, в отличие от ландшафтов, формирующихся вне криолитозоны, мерзлотные ландшафты, литогенной основой которых являются льдонасыщенные грунты, наиболее уязвимы к техногенным воздействиям. Ландшафты устойчивы в случае, когда в них сохраняется некоторый инвариант, который не противоречит изменению состояний в пределах допустимого диапазона [3].

Разработке принципов и критериев оценки устойчивости мерзлотных ландшафтов посвящено достаточно большое количество работ [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и др.]. Наиболее изученными являются равнинные ландшафты с льдистыми тонкодисперсными грунтами, где основой оценки устойчивости служит тепловая инер-

ВАСИЛЬЕВ Иван Семенович — к.г.н., с.н.с. Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН; ФЕДОРОВ Александр Николаевич — к.г.н., зав. лаб. Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН; ВАРЛАМОВ Степан Прокопьевич — к.г.н., с.н.с. Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН; ТОРГОВКИН Ярослав Ильич — к.г.н., с.н.с. Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН; ВАСИЛЬЕВ Александр Иванович — м.н.с. Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН; ШЕСТАКОВА Алена Алексеевна — м.н.с. Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН.

Рис. 1. Фрагмент карты устойчивости криогенных ландшафтов на одном из участков трассы строящейся железной дороги Томмот—Кердем. 1 — неустойчивые ПТК; 2 — относительно неустойчивые; 3 — относительно устойчивые; 4 — устойчивые; 5 — строящаяся железная дорога; 6 — автодорога

ционность ПТК, обусловленная средней годовой температурой и льдистостью пород [8]. Что касается горных ландшафтов, то тепловая инерционность не всегда отражает суть свойств литогенной основы ПТК, так как здесь во взаимосвязях составляющих компонентов ведущими становятся и другие факторы, такие как дисперсный состав рыхлых отложений и их мощность, интенсивное проявление мерзлотно-геологических процессов, особенно на склонах. В связи с этим саморегуляция и восстановле-

ние горных ландшафтов после техногенного нарушения происходят в несколько иных грунтовых и гидрогеологических условиях, а также при более активном проявлении мерзлотно-геологических процессов [13]. Поэтому необходима методика определения устойчивости мерзлотных ландшафтов, пригодная как для равнинных, так и горных территорий. Этой проблеме посвящено данное сообщение.

Таблица 1

Структура сочетании типов урочищ

Индексы типов урочищ на карте Мезоформы рельефа Растительный покров

1-2 Плакорный (карбонатный) Елово-лиственничный лес голубично-моховый

1-29 Плакорный

1-32 Плакорный

3-2 Плакорный (песчаниковый) Елово-лиственничный лес голубично-моховый

3-29 Плакорный

10-2 Склоны очень пологие (2—5°) песчаниковые Елово-лиственничный лес голубично-моховый

10-29 Склоны очень пологие

10-32 Склоны очень пологие

11-2 Делювиальный шлейф (менее 2°) карбонатный Елово-лиственничный лес голубично-моховый

11-26 Делювиальный шлейф (менее 2°) карбонатный Рудеральная растительность карьеров

11-29 Делювиальный шлейф

11-29а Делювиальный шлейф

11-32 Делювиальный шлейф

12-2 Делювиальный шлейф (менее 2°) песчаниковый Елово-лиственничный лес голубично-моховый

12-29 Делювиальный шлейф

12-29а Делювиальный шлейф

12-32 Делювиальный шлейф

13-7 Ложбины стока Елово-лиственничный лес голубично-багульниково-моховый

13-16 Ложбины стока Елово-лиственничный лес бруснично-моховый с ерником

21-16 Мелкодолинный Елово-лиственничный лес бруснично-моховый с ерником

Результаты и их обсуждение

Оценка устойчивости рассмотрена нами в случае уда -ления почвенно-растительного слоя, нарушения, наиболее характерного и неизбежного при строительстве и эксплуатации железных дорог. Такое нарушение вызывает увеличение глубины сезонного протаивания и сезонного промерзания, в результате чего геокриологические условия сильно изменяются, вплоть до изменения структуры ландшафта.

Общеизвестно, что степень реакции ландшафта на нарушения находится в прямой зависимости от содержания подземных льдов и наличия тонкодисперсного состава в рыхлых отложениях, от теплового ресурса и характера проявления мерзлотно-геологических процессов. Ранжирование параметрами этих характеристик более-менее определено [14, 8, 12, 13 и др.]. Из совокупности набора аналогий и имеющихся данных по конкретным типам местности и урочищ намечена относительная устойчивость ПТК по следующим ведущим природным факторам: составу, мощности и льдистости рыхлых отложений, температуре многолетнемерзлых пород (ММП) и крутиз-

Кроме того, для оценки устойчивости ПТК следует определиться в приоритетах степени опасности проявления экзогенных мерзлотно-геологических процессов и их негативных последствий на окружающую среду по-

не склонов (табл. 2). По содержанию подземных льдов сейчас практически общепринято, что устойчивыми являются многолетнемерзлые отложения с объемной льдисто-стью до 20%, а неустойчивыми — более 40. Мерзлотные ландшафты, литогенная основа которых характеризуется средней годовой температурой -1оС и выше, относятся к переходным неустойчивым (кстати, к таковым относятся ПТК, сложенные талыми породами с температурой от 0 до +1), а таковые с температурой ниже -5оС — к устойчивым. Просадочность поверхности, пучение и текучесть зависят от наличия мелкозема в составе грунтов. В этой связи различаются разновидности грунтов: пески (к этой категории относится обломочный материал с заполнителем и без него), переслаивание песков и глин (супеси), суглинки (глины) и органогенные образования. Наиболее масштабны проявления процессов в рыхлых отложениях мощностью 3—5 м и более. На склонах склоновые процессы наиболее активно проявляются при их крутизне 5о и выше. Типичные параметры характеристик ведущих природных факторов, приведенные в табл. 2, мы использовали как руководствующие критерии, отражающие относительную устойчивость ПТК.

сле техногенного воздействия. По этому поводу в Министерстве чрезвычайных ситуаций (МЧС) России была проведена их типизация по степени опасности и охвата площади на всей территории России [15]. Из их перечня

Таблица 2

Параметры характеристик относительной устойчивости ПТК

Характеристики литогеннои основы ПТК Категории относительной устойчивости ПТК

Устойчивые

Объемная льдистость пород, отн. ед. до 0,1 0,1—0,2 0,2—0,4 0,4 и более

Температура пород, оС -5 и ниже -5...-2 -2...-1 -1...+1

Субстрат Пески (обломочный материал с заполнителем и без него) Переслаивание песков и глин (супеси) Суглинки (глины) Торф

Мощность рыхлых отложений, м 1,5 и менее 1,5—3 3—5 5 и более

Крутизна склонов, град. до 2 2—5 5—10 10 и более

относительно к Якутии отнесены: к чрезвычайно опасным процессам оползни, обвалы, снежные лавины; к весьма опасным — переработка берегов, карст; к опасным — эрозия плоскостная и овражная, эрозия речная, суффозия, набухание и просадочность грунтов; к умеренно опасным — термокарст, наледеобразование, термоэрозия; к малоопасным и незначительно опасным — солифлюкция.

Есть и другая систематика, согласно которой среди процессов, влияющих на комфортность среды обитания,

по степени опасности последовательно выделены: континентальное засоление грунтов, заболачивание, термокарст, водная эрозия, карст, суффозия, абразия, наледео-бразование [16].

Как видим, по поводу типизации приоритетов природных процессов по степени их опасности нет единого мнения. Из опыта работы в пределах трасс автодороги и строящейся железной дороги Томмот—Кердем в предложенную С.К.Шойгу [15] типизацию мы вносим некоторые уточнения и дополнения (табл. 3).

Таблица 3

Типизация экзогенных природных процессов по степени опасности в пределах северного участка трассы

железной дороги Якутии

Природные процессы и явления Весьма опасные Опасные Умеренно опасные Малоопасные

Интенсивность процесса

4 3 2 1

Карст * * * *

Термокарст * * * *

Эрозия овражная * * *

Эрозия речная * * *

Суффозия * * *

Просадочность грунтов * * *

Наледеобразование * *

Пучение * *

Пятнообразование * *

Термоэрозия * *

Термоденудация * *

Заболачивание * *

Осыпание * *

Обвалы * *

Солифлюкция * *

Смыв плоскостной и струйчатый *

Курумы *

Криогенный крип (десерпция) *

Пучение обломков *

Криогенное выветривание *

Морозобойное растрескивание *

Известно, что для конкретных классов, родов и типов ландшафтов, а также для отдельно взятых регионов характерен свой набор экзогенных природных процессов. Например, приведенный в табл. 3 набор природных процессов характерен только для рассматриваемого нами участка трассы железной дороги. Здесь типизация экзогенных природных процессов по степени опасности проводится по четырехбалльной системе. Процессы по интенсивности проявления условно соответствуют градациям устойчивости ПТК, в пределах которых они имеют место.

Кроме того, при определении относительной устойчивости ПТК следует разобраться не только в сочетании связи компонентов природной среды, но и необходимо учитывать определенный набор ведущих процессов для

каждого выдела ПТК. Так, например, в пределах исследуемой территории для плакорного типа местности ведущими факторами, отражающими состояние устойчивости, являются состав пород, мощность и льдистость рыхлых отложений, взаимодействие между которыми предопределяет развитие карста и криогенного выветривания пород. Для склонового типа местности ведущее значение имеют льдистость, состав и мощность рыхлых отложений, температура пород, крутизна склонов, которые являются необходимыми атрибутами развития склоновых процессов. Для долинных ПТК устойчивость определяется составом, льдистостью и мощностью отложений, температурой пород, где характерно проявление термокарста, карста, пучения, наледеобразования, термоэрозии, морозобойного растрескивания. Привершинные

ВАСИЛЬЕВ, i

ложбинные понижения занимают переходное положение между склоновыми и долинными комплексами, в пределах которых в зависимости от крутизны наклона, глуби -ны их вреза, состава, мощности рыхлых отложений и их льдистости, они могут быть отнесены к тем или иным комплексам.

Оговоримся, что приведенные в таблицах параметры характеристик ландшафтов при заданных физико-географических условиях показывают лишь качественное состояние ПТК и их способность противостоять техногенным воздействиям, которые определяются методом аналогий.

Экспертная оценка устойчивости выделенных нами ПТК на северном участке трассы железной дороги определяется при ранжировании условных баллов, соответствующих характеристикам ведущих природных факторов и вызываемых проявлений процессов за первые десять лет после техногенных воздействий. Оценка устойчивости мерзлотных ландшафтов после десяти лет техногенных нарушений, сопровождающаяся восстановлением нарушенных условий и требующая специальной постановки вопроса, нами не рассматривается. Итак, результирующие оценочные баллы устойчивости формализованы и в зависимости от контрастности сред определенных выделов ПТК (типов и групп типов урочищ) изменяются в пределах от 10 (для наиболее устойчивых) до 20 (для наиболее неустойчивых). При этом устойчивость ПТК подразделяется на 4 категории (устойчивые, относительно устойчивые, относительно неустойчивые и неустойчивые), т.е. разница между категориями составляет 2,5 балла. Градации категорий относительной устойчивости ПТК удобнее показать в долях единицы из соотношения X=U /U , где Х — искомая величина, по-

n max' '

казывающая относительную устойчивость конкретного ПТК, Un — результирующая величина, соответствующая относительной устойчивости n-го ПТК и U — наи-

J max

большая результирующая величина, соответствующая категории наиболее неустойчивых ПТК. После ранжирования оценочных баллов соотношение относительных единиц для четырех категорий устойчивости ПТК таково: для устойчивых 0,50—0,62; для относительно устойчивых — 0,62—0,75; для относительно неустойчивых — 0,75—0,87; для неустойчивых — 0,87—1,0. Например, на участке трассы железной дороги от 630 до 688 км на плакорном типе местности в приводораздельных группах типов урочищ в элювиальных песках с включением дресвы и щебня (1 балл) мощностью до 1,5 м (1 балл) с объемной льдистостью 0,2—0,3 (3 балла) и температурой пород от -0,5 до -1,5оС (4 балла) проявляется криогенное выветривание (1 балл), где результирующая величина экспертной оценки устойчивости составляет 10 баллов, она в относительных единицах составляет 0,5, что соответствует наиболее устойчивым ПТК. На территории, занимаемой между пикетами 423—531 км, на делювиальном шлейфе крутизной менее 2о (1 балл) в суглинках (3 балла) мощностью 5 м и более (4 балла) с объемной льдистостью 0,4—0,5 (4 балла), температурой пород от -0,5 до -1оС (4 балла) могут проявляться мелкобугристый микрорельеф, солифлюкция, пучение, термоэрозия и термокарст (4 балла). Оговоримся, что в комплексе сочетаний процессов балльность принимается по участию из их числа наиболее опасных. В данном случае из сочетаний комплекса процессов наиболее опасным является термо-

;доров и др.

карст, который оценивается в 4 балла. Результирующая сумма экспертной оценки устойчивости этих комплексов равна 20. Она в относительных единицах составляет 1, что соответствует самой неустойчивой категории ПТК.

Заключение

Итак, на основании картографической модели дифференциации мерзлотных ландшафтов и предлагаемой выше методики разработки принципов и критериев выделения градаций составлена карта оценки устойчивости ПТК. Она выполнена в масштабе 1 : 25000, что соответствует дифференциации ландшафтов на уровне типов урочищ. В качестве руководствующих критериев определения категорий устойчивости использовались основные характеристики литогенной основы выделенных типов урочищ: объемная льдистость пород, средняя годовая температура пород, субстрат, мощность рыхлых отложений и крутизна склонов с определенными их параметрами, а также интенсивность проявления экзогенных природных процессов в соответствии с их типизацией по степени опасности. Предлагаемая методика разработки принципов и критериев выделения категорий устойчивости и составления карты пригодна как для равнинных, так и для горных ПТК, что важно для экспертной оценки геоэкологической ситуации на осваиваемых территориях.

Литература

1. Мильков Ф.Н. Физическая география. Учение о ландшафте и географическая зональность. — Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1986. — 327 с.

2. Граве Н.А. Принципы оценки чувствительности поверхности к техногенным воздействиям (на примере территории Якутии) // Охрана природы Якутии. — Якутск, 1979. — С. 91— 94.

3. Куприянова Т.Н. К вопросу об устойчивости геосистем // Устойчивость геосистем. — М.: Наука, 1983. — С. 84—87.

4. Мухина Л.И. Принципы и методы технологической оценки природных комплексов. — М.: Наука, 1973. — 95 с.

5. Граве Н. А. Место и направление геокриологических исследований в проблеме охраны среды и рационального природопользования в области вечной мерзлоты // Устойчивость поверхности к техногенным воздействиям в области вечной мерзлоты. — Якутск, 1980. — С. 5—12.

6. Кузнецова И.Л. Инженерно-геокриологические условия и устойчивость многолетнемерзлых пород Приморских низменностей Якутии к нарушениям естественной природной обстановки // Устойчивость поверхности к техногенным воздействиям в области вечной мерзлоты. — Якутск, 1980. — С. 75—107.

7. Босиков Н.П., Васильев И.С., Федоров А.Н. Мерзлотные ландшафты зоны освоения Лено-Алданского междуречья. — Якутск, 1985. — 124 с.

8. Пармузин С.Ю. Районирование Севера Западной Сибири по потенциальной возможности развития термокарста // Вопросы геокриологического картирования. — Якутск, 1986. — С. 78—85.

9. Фотиев С.М., Знаменский Е.Н., Лейбман М.О. Устойчивость территорий к развитию криогенных процессов при техногенном нарушении природной обстановки в Южной Якутии // Исследования мерзлых грунтов в районах освоения. — М.: Стройиздат (ПНИИИС), 1987. — С. 71—77.

10. Сташенко А.И. Оценка устойчивости природной сре-

ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ОРЕ

ды районов криолитозоны к техногенным воздействиям // Изв. ВГО. — 1987. — Т. 119. — Вып. 4. — С. 301—306.

11. Пармузин С.Ю., Шаталова Т.Ю. Прогноз изменения геокриологических условий в связи с динамикой климата и оценка их устойчивости к техногенным воздействиям // Геокриология СССР. Европейская территория СССР. — М.: Наука, 1965. — 208 с.

12. Шполянская Н.А., Зотова Л.И. Карта устойчивости ландшафтов криолитозоны Западной Сибири // Вестник МГУ Сер. 5. География. — 1994. — №1. — С. 56—65.

13. Васильев И.С. К методике определения устойчивости горных ландшафтов (на примере Эльгинского угольного разре-

ЮВ ИНДИКАТОРНЫХ МИНЕРАЛОВ...

за) // Эколого-геохимические проблемы в районах криолитозоны. — Якутск, 1996. — С. 109—121.

14. Гарагуля Л.С. Методика прогнозной оценки антропогенных изменений мерзлотных условий (на примере равнинных территорий). — М.: Изд-во МГУ, 1985. — 224 с.

15. Шойгу С.К. Основы государственного регулирования мероприятий по обеспечению сейсмической безопасности России. — М.: РЭФИА, 1997. — 136 с.

16. Кофф Г.Л., Чеснокова И.В. Информационное обеспечение страхования от опасных природных процессов. — М.: Изд-во «Полтекс», 1998. — 168 с.

УДК 550.1:553.81

Особенности современных ореолов индикаторных минералов кимберлитов Якутии

И. И. Антипин, И. Ив. Антипин

Приведены основные результаты изучения различными исследователями характеристик современных ореолов индикаторных минералов кимберлитов (ИМК) от известных кимберлитовых тел Якутской алмазоносной провинции. Показано, что на расстоянии первых десятков километров ИМК не претерпевают существенных изменений ни по ассоциации, ни по степени механического износа, а наличие обломочков кимберлита не всегда является признаком близости к коренному источнику.

Basic results of characteristics research ofIMK modern haloes from known kimberlite bodies by different investigators are given in brief. It has been shown that at the distance of the first tens of kilometers minerals do not suffer sufficient alterations either in association or by degree of mechanical wear, and presence of kimberlite fragments not always indicates proximity to a primary source.

Ключевые слова: ореолы, индикаторные минералы, алмазоносная провинция, трубки взрыва, кимберлит.

Основные закономерности формирования современных ореолов ИМК описаны уже в монографии «Алмазные месторождения Якутии» [1]: уменьшение с удалением от коренного источника концентраций и размерности зерен, накопление в россыпях наиболее устойчивых минералов (пиропа, пикроильменита, хромдиопсида, оливина и хромита). В частности, было показано, что предел рассеяния оливина не превышает 5—6 км.

Полевые исследования изменений сохранности пиропов из ореола трубки Аэрогеологическая в аллювии р. Куогас-Улуйбут-Моторчуна, проведенные Б.И.Прокоп-чуком с соавторами (1970 г.), показали: 1) зерна с кели-фитовой каймой встречаются в русле реки не далее 11 км от местоположения трубки; 2) в отложениях временных водотоков и русла рек наблюдаются некоторая сглаженность скульптур поверхности зерен уже на протяжении первых 8—10 км и полное их исчезновение на расстоянии 40 км от коренного источника; 3) полное разрушение зерен пиропа с трещинами происходит на расстоянии 35—50 км; 4) количество пиропа в русле реки, размывающей трубку, уменьшается равномерно, и на расстоянии 50—60 км влияние кимберлитового тела на состав русловых отложений уже не сказывается; 5) в аллювии наименее устойчив пироп оранжевого цвета.

Примерно в это же время Л.А.Зиминым, разрабатывавшим классификацию степеней механического износа ИМК, на примере трубок Загадочная и Дальняя в Дал-дынском кимберлитовом поле установлено прослеживание их ореолов на 19 и 16 км. Был сделан вывод, что в пределах интервала переноса, равного 15 км для пиропа и 10 км для пикроильменита, присутствуют только зерна без следов механического износа. Единственным изменяющимся параметром на этом отрезке формирования ореола является рост числа осколков. Первые следы при-тертости первичных поверхностей на зернах пикроиль-менита и пиропа фиксируются на удалениях после 10 и 15 км соответственно.

Наиболее фундаментальными в ряду исследований современных потоков ИМК являются результаты исследований специалистов Амакинской экспедиции Л.А.Зимина и А.А.Панкратова (1973 г.). В Алакит-Мархинском кимберлитовом поле были изучены ИМК из аллювия руч. Юесе-Харыйалах, в верховьях которого известна группа кимберлитовых тел (Маршрутная—НИИГА—Талисман—Радиогеодезическая). Ореол прослежен на 40 км, до впадения ручья в р. Алакит. Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

— оливин и хромдиопсид в процессе переноса в де-

АНТИПИН Иван Инпинетович — к.г.-м.н., зав. отделом прогнозирования и поисков МПИ Якутского научно-исследовательского геолого-разведочного предприятия ЦНИГРИ АК «АЛРОСА» (ЗАО); АНТИПИН Иван Иванович — зам. зав. отделом прогнозирования и поисков МПИ Якутского научно-исследовательского геолого-разведочного предприятия ЦНИГРИ АК «АЛРОСА» (ЗАО).