Морфология и динамика преобразования подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского

Заключение. В результате проведённых исследований для территории г. Якутска и его окрестностей получены ранее неизвестные нормативные (средние) значения радиофизических свойств и минерализации криопэгов. При необходимости эти данные можно использовать в качестве справочной информации на стадии составления научных и производственных проектов, разрабатываемых для изучения ММП методом георадиолокации. Исследования показали, что изменение минерализации криопэгов приводит к существенному изменению их радиофизических свойств. Установлено, что поглощающие свойства криопэгов в 2,4 раза более чувствительны к изменению их минерализации, чем скоростные свойства.

Найдены робастные математические модели, которые в большинстве случаев обеспечивают определение общей минерализации криопэгов по радиофизическим свойствам с ошибкой не более 37 %. Эти модели представляют ценность в тех случаях, когда важно знать тенденции изменения минерализации криопэгов по площади, глубине и во времени. Такие случаи, как правило, имеют место при проведении мерзлотно-гидрогео-химической съёмки, а также при мониторинге прочностного состояния мёрзлых грунтовых оснований фундаментов аварийных инженерных сооружений.

Большой научный интерес представляет изучение в естественном залегании радиофизических свойств криопэгов на уровне их связей с количеством воды и ионным составом солей. Возможно, изучение этих связей позволит выйти на решение проблемы поиска следов миграции криопэгов.

Литература

1. Чеверев В.Г., Видяпин И.Ю., Мотенко Р.Г., Кондаков М. В. Определение содержания незамёрзшей воды в грунтах по изотермам сорбции-десорбции // Криосфера Земли. - 2005. -Т. IX, №4. - С. 29-33.

2. Хименков А.И., Мерзляков В.П. Оценка изменения свойств заселённых грунтов при региональном потеплении климата // Там же. - №1. -С. 55-62.

3. Толстихин Н.И. Миграция химических элементов в криолитозоне - Новосибирск: Наука, 1985.-С. 13-21.

4. Анисимова Н.П. Криогидрогеохимические особенности мёрзлой зоны. - Новосибирск: Наука, 1981.- 153 с.

5. Нерадовский Л.Г. Изучение состояния и свойств мёрзлых грунтов и криопэгов методом георадиолокации: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Якутск, 2005. - 24 с.

УДК 551.4-.551.345

Морфология и динамика преобразования подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского

М.Н. Григорьев

Анализируются данные, полученные по ключевым буровым профилям, вскрывшим подводную мерзлоту в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Установлена закономерность изменения уклонов кровли субаквальных мерзлых пород (от 0,002 до 0,038) в разных геоморфологических, литологических и гидродинамических условиях. Делается вывод о том, что эволюция подводной мерзлоты в прибрежной зоне зависит в первую очередь от динамического типа берега, а также геокриологических, литологических и гидрологических параметров в пределах берегового подводного склона.

______________________ In this article the data obtained on the key drilling

ГРИГОРЬЕВ Михаил Николаевич - к.г.н., с.н.с. profiles, which have disclosed sub-sea permafrost in the ИМЗ CO PAH. near-shore zone of the Laptev and East-Siberian Sea,

were analyzed. The regularity of sub-sea permafrost table inclination changes (from 0.002 to 0.038) in different geomorphological, lithologic and hydrodynamic conditions was established. A conclusion that the evolution of sub-sea permafrost in the near-shore zone first of all depends on dynamic coast type, and geocryological, lithologic and hydrologic parameters within the coastal shoreface profile is done.

Введение и имеющиеся данные. Активное преобразование льдистых многолетнемерзлых пород (ММП) в мелководной зоне арктического шельфа - один из самых быстрых и широко распространенных природных процессов в Арктике. Шельф восточных арктических морей России вызывает повышенный интерес. Он перспективен в отношении залежей углеводородного сырья - нефти, газа, газогидратов. Установлено, что, по крайней мере, небольшая часть шельфа занята подводной «вечной» мерзлотой. Подводную мерзлоту обычно называют «субаквальной криолитозоной» или, точнее, «субаквальными многолетнемерзлыми породами» (СММП). Вопрос об их распространении и эволюции в пределах арктического шельфа все еще дискутируется. До сих пор не известно, в каком фазовом состоянии находятся гигантские площади под дном арктического шельфа. Не известно, существуют ли многолетнемерзлые породы в относительно глубоководной части шельфа арктических морей и даже вблизи отдельных типов побережья. Эта фундаментальная проблема является еще белым пятном, которое может и обязано быть освещено должным образом.

В относительно глубоководной части шельфа восточно-арктических морей Азии донные скважины практически не бурились, за исключением двух неглубоких профилей в восточном секторе моря Лаптевых, пробуренных в 2000 г. с бурового судна «Кимберлит» в ходе российско-германской экспедиции «ТрансДрифт VIII» по межправительственному проекту «Система моря Лаптевых» [1]. В керне нескольких скважин были обнаружены мерзлые породы с кристаллами пресного льда. Последующие анализы показали, что эти кристаллы сформированы в анаэробных условиях, т.е. без доступа кислорода и их, видимо, следует относить не к СММП, а к современным образованиям, сформированным за счет отрицательных температур придонных морских вод.

К настоящему времени создан ряд математических моделей, основанных на расчете тепловых потоков и описывающих существование СММП на всем шельфе Российской Арктики, вплоть до его бровки. Но предварительные фактические данные не позволяют это утверждать.

Уклоны кровли СММП от берега в сторону моря довольно велики даже в начальной (трехкилометровой) прибрежной зоне. Маловероятно, что при удалении от берега, на больших глубинах моря кровля мерзлоты будет стабильно следовать уклонам дна или подниматься к поверхности шельфа.

Натурные данные о подводной мерзлоте имеются лишь по нескольким десяткам относительно неглубоких (30-80 м) буровых профилей, вскрывших СММП под дном морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. На основании собственных и опубликованных данных о строении подводного берегового склона, его геокриологического, литологического строения, основных особенностей морфологии и гидродинамики автором данной статьи был проведен анализ основных параметров развития и распространения подводной мерзлоты в пределах мелководного шельфа моря Лаптевых. Основной целью работы было выяснение закономерностей, присущих трансформации мерзлоты под морем, в частности деградации, а в отдельных случаях и аггра-дации, кровли СММП.

К настоящему времени существует ряд публикаций, посвященных развитию СММП и их распространению на шельфе [2-10]. Тем не менее закономерности развития и характер эволюции и распространения СММП на шельфе, в том числе и в прибрежно-шельфовой зоне, известны в крайне ограниченном объеме.

Динамика кровли подводной мерзлоты на многих участках связана с темпами отступания берегов, так как континентальная мерзлота здесь переходит в подводное положение, и ее тепловая деградация является функцией времени. В большинстве эти участки прилегают к льдистым, активно отступающим, так называемым, термоаб-разионно-термоденудационным берегам. Как правило, в пределах прибрежно-шельфовой зоны, вблизи термоабразионных берегов, кровля СММП обнаруживается бурением на глубинах 5-60 м. В ряде случаев на мелководье в зоне преобладающей аккумуляции осадков формируется новообразованная подводная мерзлота. Наши предварительные исследования СММП показывают, что практически во всех случаях их кровля медленно или с резкими перегибами по-

гружается с увеличением глубин моря. Деградация континентальной мерзлоты, оказавшейся в морских условиях, протекает на различных по составу и гидродинамическим условиям участках прибрежного шельфа совершенно по-разному.

Данные о распространении и отдельных свойствах подводной мерзлоты могут быть использованы для палеогеографических реконструкций, а также для оценки и картирования инженерногеологических характеристик на арктическом шельфе.

Восточно-Сибирское море _ .

море Лаптевых

• двЛы»

Рис. 1. Схема расположения буровых профилей в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирском: номерами обозначены профили, приведенные в последующем рисунке

Результаты. Для выявления основных тенденций эволюции подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского были выбраны и проанализированы материалы по 15 ключевым профилям

скважин, вскрывших СММП. Таких данных по морю Лаптевых оказалось значительно больше, чем по Восточно-Сибирскому (рис. 1). СММП были вскрыты на всех отмеченных на схеме участках.

Мощность мерзлоты в прибрежных частях этих морей оценивается примерно в 500-700 м [3]. Каковы же глубина проникновения и мощность ММП на шельфе - неизвестно. Говоря о ММП или СММП, мы подразумеваем мерзлые, сцементированные льдом породы. В то время как «криолитозона» (более широкий термин, как в понятийном, так и пространственном отношениях) включает и мерзлые, и немерзлые (талые отрицательно-температурные, например засоленные или глинистые) пласты, чаще всего встречающиеся в осадках над кровлей СММП. Логично предположить, что континентальная мерзлота, погруженная под море в результате последней морской трансгрессии, может довольно далеко уходить в море. Прежде всего, это зависит от уклонов кровли и подошвы СММП. Получая тепло сверху (море) и снизу (внутри-земные тепловые потоки), и в соответствии с длительностью пребывания в условиях, исключающих регулярное охлаждение, мерзлая толща в вертикальном разрезе должна выглядеть в виде протяженного клина, сужающегося на север. Значительные уклоны кровли прибрежных СММП выявлены по всем имеющимся профилям скважин (рис. 2).

Рис 2. Положение кровли СММП по ключевым буровым профилям в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Указан номер профиля и ссылка на литературный источник (в квадратных скобках): 1 - [8, 10]; 2 - [8, 10]; 3 -[8, 10]; 4, 5 - [6]; 6 - [4]; 7 - [2]; 8, 9 - [3]; 10 - [7] 11, 12 - [6], 13-[10]; 14-[3]; 15-[10]

Имеются достаточно четкие корреляционные связи, определяющие зависимость морфологии или уклона кровли СММП от типа побережья и его динамической активности. Быстрое отступание берегов приводит к образованию пологого уклона кровли СММП. Напротив, вблизи стабильных коренных берегов отмечаются необычайно крутые профили СММП (рис. 2, проф. 11). Очень пологие профили кровли СММП фиксируются в областях интенсивной аккумуляции материала, обычно вблизи мелководных дельтовых побережий и в пределах так же мелководных аккумулятивных заливов. Здесь образуются молодые, так называемые, «новообразованные СММП», развивающиеся за счет постоянного накопления наносов и их промерзания через морской лед. Основываясь на темпах отступания берегов, можно рассчитать время перехода ММП в субаквальное положение. Например, если на мелководном прибрежном участке, на расстоянии 2 км от современной береговой линии, кровля СММП погружена на 15 м ниже уровня моря, а среднемноголетняя скорость термоабразионного разрушения берега составляет 4 м в год, то можно заключить, что примерно 500 лет назад здесь располагалась береговая линия. Из этого вытекает, что средний темп деградации кровли СМПП составляет около 4 см в год. Следует отметить, что в течение первой стадии перехода ММП в субаквальное положение погружение верхней границы СММП может происходить почти на порядок быстрее за счет активного гидродинамического воздействия моря.

Предварительные исследования показывают, что в первой стадии контакта с мор'скими водами темп деградации кровли СММП в прибрежной зоне варьирует от 1 до 10-15 см в год в зависимости от скорости отступания берега, гидрологических, климатических и других параметров при уклоне этой кровли в сторону моря, равном 0,002-0,035. Весьма крутой уклон кровли СММП (0,035) был зафиксирован в Ванькиной губе (рис.

2, профиль 8). Это, по-видимому, связано с затуханием эрозионных береговых процессов в этом районе, несмотря на то, что берега здесь весьма льдистые, и спецификой ряда других природных, в первую очередь, гидродинамических условий. Минимальные уклоны кровли СММП (0,002-

0,003) зафиксированы на участках, где процессы аккумуляции осадков преобладают (в авандельте р. Яны - профиль 6, Сиэлляхский залив - про-

филь 9). На данных участках активно формируется новообразованная мерзлота в пределах необычайно мелководного подводного склона. Участки подводного берегового склона в условиях более или менее открытого моря характеризуются более крутыми уклонами кровли СММП (о-в Большой Ляховский - профиль 5; мыс Мамонтов Клык - профиль 3; Быковский п-ов -профиль 2). Под относительно небольшими и мелкими бухтами с преобладанием современных аккумуляционных процессов кровля мерзлоты может фиксироваться практически по всему секущему буровому профилю (бухта Кожевникова, Селляхская губа, авандельта Индигирки - профили 7, 9, 14).

Величина уклона кровли СММП зависит от многих причин, но основными являются: скорость эрозионного отступания берега и гидрологический прибрежный режим, включая температурные условия и соленость воды. Проведенные работы по бурению профилей со льда вблизи острова Муостах и Быковского п-ова (центральный сектор моря Лаптевых) дали нам первую информацию по величинам уклона СММП вблизи наиболее активно разрушающихся берегов. Средние уклоны на этих участках составляли 0,007-0,013, средние скорости отступания берегов - соответственно 13 и 3 м/год [10]. В районе мыса Мамонтов Клык (западный сектор моря Лаптевых) ряд важных природных условий, в отличие от центрального и восточного, характеризуется несколько другими параметрами. Например, соленость придонной воды здесь в 3-7 раз выше, а ее температура значительно ниже. Эти факторы играют весьма важную роль в динамике деградации СММП.

Меридиональный буровой профиль у мыса Мамонтов Клык, состоящий из 11 скважин глубиной от 1 до 32,5 м, заложен от береговой линии вблизи основания уступа Ледового Комплекса. Средняя многолетняя скорость отступания берега, непосредственно у начала профиля, составляет 5,8 м/год. В прибрежной части профиля было зафиксировано, что подошва Ледового Комплекса залегает на 3 м ниже уровня моря. Песчаные отложения, залегающие под Ледовым Комплексом, прослеживаются, по крайней мере, до глубины 30 м. Данные бурения дали несколько неожиданный результат. Несмотря на высокий темп береговой эрозии и крайне низкие зимние температуры придонной

воды (-1,3- --2,1° С), уклон СММП на этом профиле от берега до 1,3 км в море очень крутой (0,015), а на участке от 1,3 до 1,4 км - экстремально крутой (более 0,3). По-видимому, эта аномалия объясняется развитием в относительно недалеком прошлом (200-300 лет назад) термокарстовых процессов, протекавших в субаэраль-ных условиях, т.е. существованием термокарстового озера, залитого наступающим морем и занесенного осадками. Расчеты показывают, что средний темп проседания кровли подводной реликтовой мерзлоты в этом районе составляет около 8 см/год или несколько больше.

Характер кровли СММП весьма различен на разных (по специфике природных условий) участках прибрежно-шельфовой зоны моря Лаптевых. Особенности седиментации являются одним из важнейших факторов таких различий. Например, коренные, практически без включений грунтового льда, береговые породы разрушаются морем (отступают) во много раз медленнее, чем неконсолидированные льдистые. Это в первую очередь отражается на уклоне кровле СММП, которая вблизи скальных берегов уходит вниз почти отвесно. Напротив, позднеплейстоценовые дисперсные осадки Ледового Комплекса с объемной льдистостью до 80 % и относящиеся к одним из наиболее распространенных в регионе типам отложений разрушаются морем наиболее активно (до 10 м и более в год). Довольно часто подошва берегового Ледового Комплекса залегает на 10-15 м ниже уровня моря, что увеличивает скорость термической просадки прилегающего дна. Уклоны кровли вблизи льдистых берегов в море Лаптевых отличаются наибольшей пологостью.

Особенности развития прибрежных СММП также зависят от конфигурации береговой линии и степени открытости к морскому влиянию. Обычно прибрежные участки, расположенные в условиях большей морской открытости, характеризуются более крутыми уклонами кровли СММП (например, вблизи северо-восточного побережья моря Лаптевых), бухтовые сектора или другие полуизолированные от моря акватории с большими прибрежными отмелями - наиболее медленным погружением кровли СММП в сторону моря. Такая ситуация отмечается по профилю через Селляхский залив. Реликтовые озерные талики, оказавшиеся погруженными под море, зачастую нарушают относительно выдержанное простирание кровли СММП, создавая в подводном мерзлом массиве крупные замкнутые в плане «талые» депрессии.

Выводы. На основе изложенного можно сделать следующие выводы:

• подводная реликтовая мерзлота распространена на большей части подводного склона в прибрежно-шельфовой зоне моря Лаптевых;

• новообразованные субаквальные мерзлые породы формируются в пределах мелководий авандельт и в мелководных заливах, где развит процесс аккумуляции осадков, при глубинах воды менее 2,5 м;

• средние уклоны кровли СММП в прибреж-но-шельфовой зоне моря Лаптевых варьируют в широких пределах и составляют около 0,011 (0,002-0,038);

• одним из важнейших факторов, влияющих на уклон кровли СММП, является темп эрозионного (термоабразионного) разрушения берегов;

• особенности эволюции верхних горизонтов СММП зависят от ряда постоянных факторов: температурного режима воды в придонном слое, ее солености, темпов отступания или выдвижения берегов, уклонов подводного берегового профиля, общей морфологии береговой зоны и конфигурации береговой линии; степени открытости к морскому влиянию; характера осадков, слагающих берег и подводный береговой склон; льдистости субстрата в береговой зоне и в СММП; гидролитодинамики в прибрежной зоне.

Литература

1. Kassens Н., Bauch Н., Drachev S. et al. Thiede and M. Wessels (2000): The Transdril't VIII Expedition to the Lapev Sea: The shelf drilling campaign of «Laptev Sea System 2000» // Sixth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. Terra Nostra/8, 2000. - P. 39-40.

2. Ponomarev V.M. Forming of groundwater on the coast of the Northern Seas and in Permafrost zone.

- Moscow, AN USSR Press, Russia, 1950. - 96 p.

3. Григорьев Н.Ф. Многолетнемерзлые породы приморской зоны Якутии. - М.: Наука, 1966.

- 180 с.

4. Иванов М.С. Современные многолетнемерзлые прибрежно-дельтовые отложения Янского взморья // Вопросы географии Якутии. Вып. 5. - Якутск: Якутское книжное издательство, 1969. - С. 138-147.

5. Арэ Ф.Э. Термоабразия морских берегов. -М.: Наука, 1980. - 160 с.

6. Фартышев А.И. Особенности прибрежношельфовой криолитозоны моря Лаптевых. - Новосибирск: Наука, 1993. - 136 с.

7. Телепнев Е.В. Субаквальная мерзлая зона прибрежной части острова Бол. Ляховский // Криолитозона арктического шельфа. - Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1981. - С. 44-53.

8. Куницкий В.В. Криолитология низовья Лены. -Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1989. - 162 с.

9. Romanovskii N.N., Hubberten H.W., Ro-manovsky V.E., Kholodov A.L. Permafrost evolution under the influence of long-term climat fluctuation and glacio-eustatic sea-lavel variation: region of Laptev and East-Siberian Seas, Russia // Proceed-

ings of the 8th International conference on permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switzerland. - 2003.

- V. 2. -P. 983-987.

10. Григорьев M.H., Разумов С.В. Распространение и эволюция субаквальной мерзлоты в про-брежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского как следствие многолетней трансформации береговой зоны // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. - Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2005. - С. 136-155.