Криогенные процессы и изменение устойчивости пород ледового комплекса в Центральной Якутии при современном изменении климата и нарушении поверхности

УДК 622.45:536.24

Криогенные процессы и изменение устойчивости пород ледового комплекса в Центральной Якутии при современном изменении климата и нарушении поверхности

П.Л.Гаврильев, И.С. Угаров, П.В. Ефремов

Рассматриваются особенности активизации криогенеза и возникновения в нижних горизонтах сезонно-талого слоя (СТС) ослабленных посткриогенных структур (рыхлые грунты, микропустоты) как очаги нарушения устойчивости грунтов. Установлено, что криогенные процессы и изменения устойчивости деятельного слоя пород ледового комплекса развиваются за короткий срок (1989-2005 гг.) при современном потеплении климата (тренды 0,06-0,09°С/год) и нарушении поверхности.

The paper discusses the increased cryogenic activity and the formation ofweak post-cryogenic structures in the lower part of the active layer (loose soil, discontinuities) as the loci of ground stability disturbance. Our studies indicate that cryogenic processes and changes in the stability of the active layer of ice-rich permafrost have developed over a short period of time (1989-2005) under present-day climatic change (trends of0.06-0.09°C/yr) and surface disturbances.

Введение. Большая сложность в хозяйственном освоении территории криолитозоны связана с наличием многолетней мерзлоты, развитием криогенных процессов и нарушениями устойчивости грунтов. Эта проблема особенно актуальна для Центральной Якутии в связи с необходимостью научного обеспечения проектирования, строительства и эксплуатации приоритетных объектов для социально-экономического развития республики в настоящее и ближайшее время. К ним можно отнести следующие крупные объекты: водовод р. Лены -п.Туора-Кюель, газопроводы, железная дорога «Беркакит-Томмот-Якутск», автодороги «Якутск - Вилюйск - Нюрба - Мирный», «Якутск - Колыма - Магадан», «Якутск - Аям» (п. Находка для выхода в Тихоокеанский регион Азии) и другие.

В связи со значительным потеплением климата региона (до 1,5-2,6°С) ожидается увеличение глубины сезонного протаивания, повышение температуры и оттаивание верхних горизонтов пород ледового комплекса. Это может привести к интенсификации деструктивных криогенных геологических процессов (термокарста, термоэрозии, оползней-сплывов, солифлюкции) и снижению устойчивости грунтов к природным и техногенным

ГАВРИЛЬЕВ Петр Петрович, д.г.н., г.н.с. ИМЗ СО РАН; УГАРОВ Иннокентий Спиридоновым, к.г.н., с.н.с. ИМЗ СО РАН; ЕФРЕМОВ Петр Васильевич, н.с. ИМЗ СО РАН

воздействиям. В большинстве случаев развитие этих экзогенных процессов представляет опасность для нормального функционирования инженерных сооружений и сельскохозяйственных угодий. Эта проблема полностью не решена. Недостаточно изучены механизмы стадийности развития криогенных мерзлотно-геологических процессов и нарушения устойчивости пород ледового комплекса в условиях современного потепления климата и техногенных нарушений.

В настоящей статье делается попытка восполнить этот пробел.

Методика исследований. В 1989-1996 гг. Ий-ститутом мерзлотоведения СО РАН проводились сезонные (с мая по сентябрь), а с 1996 г. по настоящее время круглогодичные режимные наблюдения за мерзлотно-ландшафтным, гидротермическим и эколого-геокриологическим состоянием геосистем (природных территориальных комплексов). Определялись гранулометрический состав, строение, криотекстура, водно-физические свойства, температура и влажность (льдистость) пород, динамика и мощность сезонномерзлого (CMC) и сезонно-талого слоя (СТС), пространственно-временные масштабы реакции и деградации верхних горизонтов «вечной мерзлоты» (до глубины 10 м), развитие криогенных процессов и явлений, а также особенности криоэкологического состояния и устойчивости геосистем и их компонентов.

ГЛВРИЛЬЕВ, УГАРОВ, ЕФРЕМОВ

Эти наблюдения на полигонах Дыргыабай, Кер-дюген, Меняйка проводились на естественных (ненарушенных) и техногенно нарушенных базовых 15 площадках и на более 40 опорных точках с охватом разнообразных мерзлотных и ландшафтных условий.

В исследованиях закономерностей динамики криогенных процессов и явлений использованы детальные мерзлотные, ландшафтные и топографические съемки (М-б 1:100-1:5 ООО), а также дешифрирование аэрофотоснимков.

Криогенез и изменение обмена энергии (тепла) и воды в деятельном слое пород ледового комплекса при современном изменении климата и нарушении поверхности. За последние 15-20 лет (1989-2005 гг.) резкие изменения метеоусловий по сравнению с предыдущим периодом (1980-1990 гг.) в сочетании с антропогенными факторами оказали сильное влияние на криогенное строение, вод-но-теплофизические свойства, гидротермический режим деятельного слоя (ДС) почвогрунтов, криогенные процессы и явления, а также на тепловое состояние верхних горизонтов многолетнемерзлых толщ.

В 1989-2005 гг. на естественных и антропогенных ландшафтах произошло увеличение тепло- и влагосодержания сезонно-талого слоя (СТС) в 1,2-2,3 раза. Среднеквадратичное отклонение мощности СТС составило от 0,12 до 0,16 м, коэффициент вариации - от 6,8 до 9,0 (табл.).

Внутрисезонные величины влажности и влаго-запасов верхнего корнеобитаемого слоя (0-0,5 м) варьируют в 3-10 раз, СТС - в 1,5-2,5 раза.

В эти же годы под влиянием резких изменений климата произошла активизация процессов перераспределения влаги и тепла по профилю СТС и площади участков, что является также одной из ; основных особенностей обмена энергии и воды в деятельном слое как естественных, так и антропогенных геосистем.

Таблица

Статистические характеристики глубины изменения сезонного протаивання (от средней) на полигоне Кердюген за 1989-2005 гг.

Криогенные процессы уменьшения устойчивости пород ледового комплекса при нарушении поверхности. Эти изменения стали причиной интенсификации многочисленных криогенных геологических процессов (таяния ледового комплекса, термокарста, развития термоэрозии, солифлюкции) на территории с ледовым комплексом. Влияние криогенных процессов оценивается как весьма значительное (тэк = 1,3-3 и более) при характерных для них геотемпературных условиях: средние годовые температуры = -1°...-3°С, льдистость (/ = 0,5-0,8).

Для отдельных межаласных природно-антро-погенных урочищ тренд таяния пород ледового комплекса (А/глк) может превышать тренд увеличения глубины сезонного протаивания (АК) на естественных (ненарушенных) их аналогах в 3-10 раз и более. Это объясняется возрастанием сне-гоотложений в 1,5-3 раза от фоновой нормы на просадочных местах и дополнительным эффектом интенсификации криогенных процессов. Так, в случае развития термокарста значительно ускоряется процесс деградации пород ледового комплекса при современном умеренном потеплении климата. Все это характеризует неоднозначную реакцию вечной мерзлоты на современное потепление климата и нарушение поверхности.

Известный мерзлотовед Ю. Л. Шур с сожалением отмечал: «Наблюдения за развитием термокарста, весьма немногочисленные, относятся лишь к первым стадиям развития процесса. Применительно к территориям с отложениями ледового комплекса такие наблюдения охватывают две, максимум три стадии развития термокарстового рельефа - зачаточный былар, былар, иё» [1].

Нами за короткий срок (1992-2005 гг.) впервые на одной территории Дыргыабай с отложениями ледового комплекса на Абалахской террасе р. Лены в Центральной Якутии натурными наблюдениями охвачены 12 разных проявлений криогенных процессов:

1) непораженные (недеформированные) криогенными процессами поверхности межаласья;

2) полигонально-трещиноватые участки;

3) зачаточный былар - плоский участок, деформированный отдельными мелкими проса-дочными воронками глубиной 0,3 м и трещинами над жилами льда;

4) дестабилизационные _ 85

Луг Залежь Лес Просадка

Минимальная 2,04 1,83 1,31 1,39

Средняя 2,40 2,07 1,57 1,55

Максимальная 2,64 2,27 1,82 1,73

Квадратичное отклонение 0,164 0,148 0,141 0,118

Коэффициент вариации 6,8 7Д 9,0 7,6

(ослабленные) зоны в деятельном слое с подземными пустотами и рыхлыми грунтами;

5) аномально скоротечные деформации поверхности с термопросадками различной формы и глубины (до 1,8 м и более);

6) былар - деформированный участок с просадками и полигональной сетью ложбин над жилами льда (глубиной 0,3-0,5 м);

7) иё - слабовыраженная ложбина с водой в пределах былара;

8) байджерахи - деформированный участок с западино-бугристым микрорельефом;

9) ложбиннообразные просадки (ложбины проседания, вытянутые в одну сторону (например, в сторону дюёдя);

10) просадочно-термоэрозионные образования (очаги термоэрозионного оврага);

11) площадные термопросадки без озера, но в отдельные дождливые периоды обводняющиеся (2005 г.);

12) дюёдя - начальная стадия термокарстового озера.

Эти результаты подтверждают и существенно дополняют известные схемы стадии развития термокарстовых образований [1, 2, 3, 4, 5 и др.]. Кроме того, они свидетельствуют о весьма высокой скорости развития криогенных процессов.

В границах осваиваемых территорий резко увеличивается тепловая нагрузка на грунты деятельного слоя, верхние горизонты многолетнемерзлых пород и повторно-жильные льды, особенно в годы с относительно теплыми и дождливыми летними сезонами. Формирование посткриогенных образований на водораздельных пространствах V-VII террас р. Лены происходит в основном в случае быстрого оттаивания льдонасыщенных суглинистых грунтов промежуточного слоя со слоисто-сетчатой линзовидной и атакситовой криотекстурой и части пород ледового комплекса. При таком темпе оттаивания образовавшиеся микропустоты, полости и трещины не успевают смыкаться под тяжестью почвогрунтов, в результате чего в сезоннота-лом слое возникают зоны ослабленных грунтов, имеющие другую посткриогенную структуру. Мощность ослабленной зоны определяется разностью глубины сезонного протаивания до и после освоения участка. Развитие этих явлений может длиться от 2 до 8 лет в условиях современного изменения климата.

Подземные пустоты расположены под корнео-битаемым слоем с глубины 0,3-0,5 м в виде полигональной решетки над рыхлыми грунтовыми жи-

лами и залежью жильных льдов. Подземные пустоты имеют различные форму и размеры. Ширина их изменяется от 0,1-0,3 до 0,8-1,2 м, высота - от 0,1 до 0,7 м. Рыхлые грунтовые жилы образуются в результате частичного или полного заполнения пустот обвалившимся или оплывшим сверху поч-вогрунтом. Высота грунтовых жил составляет 0,5-1,0 м, ширина-0,8-1,2 м. Грунтовые жилы характеризуются значительной рыхлостью (объемная масса - 0,5-0,9 г/см3). За счет наличия микропустот и трещин шириной 0,5-3 см инфильтрация воды носит провальный характер. В плане полигонально-жильные структуры расположены в виде сетки. Густота их полигональной решетки составляет от 6 до 10 продольных и поперечных рядов на 1 га (100x100 м2).

Со временем эти ослабленные посткриогенные структуры относительно легко подвергаются различным водно-тепловым и физико-механическим воздействиям, что приводит к переувлажнению, уплотнению, разуплотнению грунтов при циклическом сезонном промерзании-протаивании.

Анализируя материалы проведенных полевых исследований, можно выделить следующие стадии развития подземных пустот:

а) начальная стадия - образование пустот по частично вытаявшему повторно-жильному льду;

б) стадия роста пустот за счет интенсивного вытаивания повторно-жильного льда, образования надмерзлотных вод, развития термоэрозии грунтов и размыва льдистых грунтов, при продолжительных дождливых и очень теплых летних сезонах;

в) стадия частичного заполнения и уменьшения объема пустот и их перемещения вверх к поверхности за счет осыпания грунтов сверху и со стенок;

г) стадия исчезновения подземных пустот в результате обрушения кровли (почвы) над ними.

Установлено, что некоторые небольшие подземные пустоты в измененном виде частично сохраняются в течение многих лет (до 70, возможно и более), без явных внешних проявлений просадок при следующих условиях: ширина оттаивающих повторно-жильных льдов в верхней части составляет не более 0,8-1,2 м; слабая льдистость вмещающих грунтов (менее 0,2) и твердой консистенции оттаивающих грунтов. Такие оттаивающие грунты сохраняют устойчивость и не обваливаются. В качестве примера можно привести участки долинного (аллювиального) ледового комплекса (в долине р. Амги), а также участки распространения пород ледового комплекса водораздельного

ГАВРИЛЬЕВ, УГАРОВ, ЕФРЕМОВ

типа (Меняйка, Кердюген, Джарахай, Улуу Сы-сыы и др.), которые были освоены под пашню в 30-е, 50-е, 80-е годы XX века в среднем бассейне р. Лены.

На подобных участках грунты теряют свой основной компонент-лед. В результате этого значительно изменяются их вещественно-грунтовый состав, криогенное строение и мерзлотно-гидро-термический режим, уменьшается прочность и устойчивость грунтов к природным и техногенным воздействиям.

Выводы. При инженерно-геокриологической и геокриологической оценке осваиваемых территорий ведущая роль принадлежит анализу распространения, характера и направления развития криогенных мерзлотно-геологических процессов с применением мерзлотно-климатического и геосистемного подходов. Оценка устойчивости пород ледового комплекса осуществляется, прежде всего, по анализу морфологических и морфометрических особенностей криогенных процессов и образований.

Экзогенные процессы приводят к существенному коренному изменению мерзлотного и вещественно-грунтового состава, строения и свойства активного слоя пород ледового комплекса, как ин-| тегральный результат интенсификации трех видов криогенеза (криогенез почв, криогенез деятельного слоя СМС-СТС, ПС, криогенез верхнего горизонта ледового комплекса ММП и ПЖЛ, то есть льдистого геологического фундамента геосистемы).

Современные тренды потепления климата и тенденции деградации приповерхностного горизонта пород ледового комплекса являются сигналом возможного широкого развития необратимых криогенных процессов и нарушения устойчивости природно-техногенных геосистем до регионального уровня.

Литература

1. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск: Наука, 1988. 213 с.

2. Босиков Н.П. Изменение климата и эволюция термокарстовых образований // Влияние климата на мерзлотные ландшафты Центральной Якутии. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН - ассоциированный член изд-ваСО РАН, 1996. С. 106-122.

3. Константинов П.Я., ТорговкинЯ.И., Федоров А.Н. Динамика защитного слоя и развитие начальных форм термокарстового рельефа // Влияние климата на мерзлотные ландшафты Центральной Якутии. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН - ассоциированный член изд-ваСОРАН, 1996. С. 68-85.

4. Геокриологичческие опасности России. Тематический том / Под. ред Л.С.Гарагуля, Э.Д.Ершова. М.: Издательская фирма «Крук», 2000. 316 с.

5. Гаврильев П.П. Опасные природно-техногенные процессы и проблемные экологические ситуации (географические, геокриологические и почвенные аспекты) // Мерзлотно-экологические особенности таежных аг-роландшафтов Центральной Якутии. Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2001. С. 113-148.

Работа выполнена по Проекту СО РАН 24.1.5 (научные руководители: д.г.н. Шепелев В.В., к.г.н. Федоров А.Н.).