Вопросы мониторинга изменений состояния многолетнемерзлых пород в условиях глобального потепления с использованием космических снимков

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2006 г. Выпуск 3. С. 87-90

УДК 551.345

ВОПРОСЫ МОНИТОРИНГА ИЗМЕНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ

Ю.М. Полищук, О.С. Токарева

В настоящее время все большее признание получает точка зрения о том, что глобальное потепление климата может оказать существенное влияние на состояние многолетнемерзлых пород (ММП) Сибири, что приведет в конечном итоге к изменению прочностных свойств грунтов и будет сопровождаться ростом аварийности на трубопроводах и других сооружениях. В связи с этим важным является слежение за возможным изменением границ распространения ММП в условиях ожидаемого потепления.

В изучении и картировании природных процессов широко применяются аэро- и космические снимки и ландшафтно-индикационный метод. Преимущество использования современных космических снимков (КС) высокого разрешения состоит в том, что при сопоставимости их масштабов с масштабом аэрофотоснимков, один КС обеспечивает значительно больший по площади охват территории. Анализируя опыт дешифрирования аэрофотоснимков, можно сделать заключение, что изменения геокриологических условий могут выявляться также при дешифрировании космических снимков высокого разрешения по геометрической форме ландшафтных выделов, специфическому расположению элементов структуры растительного покрова, составу растительных биоценозов. При построении геокриологических карт с использованием КС учитывают высоту местности, вид ландшафта, растительность, почвенно-геологические особенности территории, увлажненность поверхности и температурный режим пород [1].

Среди индикаторов криогенных явлений наибольшее значение имеют геоморфологические индикаторы, к которым относятся типы и формы рельефа. На территории Западной Сибири вблизи южной границы распространения многолетнемерзлых пород основными криогенными и посткрио-генными формами рельефа являются термокарст, полигональный рельеф, пучение. Второе место по значению в системе ландшафтных индикаторов принадлежит растительности, которая является компонентом ландшафта, связанным с климатом, почвами и т.п. [2]. В зоне распространения ММП строение растительного покрова тесно связано с распределением мерзлых и талых пород, глубиной промерзания и может служить биоиндикатором геокриологических условий.

Проведенный анализ литературных данных по дешифрированию аэрофотоснимков в геокриологических исследованиях показал, что в качестве наиболее перспективных индикационных признаков криогенных и посткриогенных ландшафтов [2, 3] могут быть использованы следующие виды объектов, дешифрируемых на космических изображениях:

- термокарст, западины, аласные котловины;

- грядово-мочажинные болота;

- бугры пучения;

- полигональный рельеф;

- плоскобугристые и крупнобугристые торфяники;

- состав мохового, лишайникового покрова.

Термокарст (вытаивание подземных льдов различного генезиса, содержащихся в толще рыхлых пород) наибольшее распространение получил в южной части зоны сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Термокарстовые озера имеют характерную округлую, овальноудлиненную или лопастную форму.

Верховые торфяники расположены на плоских или выпуклых поверхностях, в том числе и на водоразделах. К основным типам верховых торфяников относятся моховые (безлесые и залесенные) и грядово-мочажинные. На аэрофотоснимках моховые безлесые торфяники имеют светлый тон (сфагновые белые мхи) и однородный или неясно пятнистый рисунок. По периферии они переходят в кустарниково-сфагновые торфяники, иногда в разной степени залесенные. Грядово-мочажинные торфяники выделяются по характерному полосчато-сетчатому рисунку, который связан с чередованием сильнообводненных мочажин и повышенных, часто облесенных гряд. Ес-

ли мочажины превращены в небольшие озера, торфяник становится грядово-озерковым. Форма таких торфяников может быть очень разнообразной: округлой, вытянутой, сильно удлиненной и извилистой [2].

Пучение грунтов наблюдается в основном в южной части сплошного и северной части прерывистого распространения многолетнемерзлых пород. Многолетние бугры пучения достигают высоты 10-15 м, реже 30-40 м и более, диаметр по основанию - от 20-30 до 100-200 м. Основание бугров часто опоясывается сильно заболоченной полосой с осоково-пушициевой растительностью. Гидролакколиты отличаются наличием ледяного ядра и значительно большими размерами: высота достигает 30-50 м и диаметр по основанию 300-400 м и более. В зрелой и угасающей стадии развития, когда начинается вытаивание льдов, многолетние бугры пучения покрываются трещинами, кровля бугров проседает, на поверхности появляются термокарстовые западины, воронки, озера. Изображение таких бугров на аэрофотоснимках имеет сложную пятнисто-полосчатую структуру: темные радиальные и концентрические полосы свидетельствуют о наличии глубоких трещин, темные пятна - о наличии озер или западин. В торфяных образованиях накопление подземных льдов приводит к формированию площадей пучения. В результате последующего морозного растрескивания и термокарстово-эрозионных процессов такие площади превращаются в плоскобугристые и крупнобугристые торфяники. Такие торфяники изображаются на снимках земной поверхности в виде скопления округлых и округло-вытянутых пятен. По границе торфяника нередко проходит кайма, отвечающая моховому или травяно-моховому покрову [2].

Плоскобугристые торфяники образуются в результате вытаивания полигонально-жильных льдов, их характерной особенностью является геометрически правильное расположение одинаковых по размерам округлых, овальных бугров с плоскими вершинами [4]. В южных районах такие торфяные массивы образуют острова реликтовых многолетнемерзлых пород, залегающих близко к поверхности и имеющих малую глубину протаивания [5].

Солифлюкция - течение оттаявших водонасыщенных рыхлых пород по подстилающему мерзлому слою. Развивается на очень пологих склонах. Солифлюкционные процессы дешифрируются на аэрофотоснимках по создаваемым формам рельефа с полосчатым рисунком изображения [2].

Одним из перспективных для проведения дистанционных исследований состояния ММП с помощью космических снимков является территория центральной части Сибирских увалов, находящаяся на южном пределе вечной мерзлоты на водоразделе р. Пякупур и левых притоков р. Тромъ-еган. Здесь многолетнемерзлые породы встречаются на открытых безлесных участках, они приурочены к положительным формам рельефа на болотах - межозерным и межмочажинным перемычкам и грядам, буграм среди топей, в растительном покрове которых преобладает ягель [6].

Сибирские Увалы находятся в подзоне эпигенетических мерзлых торфяников с характерным островным распространением мерзлых пород, причем в пределах Сибирских Увалов ММП занимают большие площади, что связано с широким распространением торфяников и значительным распространением ММП на залесенных вершинах гряд. На тестовом участке, расположенном вблизи южной границы распространения ММП со среднегодовой температурой талых и мерзлых пород около 0° С, солифлюкционные формы рельефа развиты крайне слабо, относительно широкое распространение имеют многолетние бугры пучения и термокарстовые явления. Следует отметить, что многолетние бугры пучения имеют незначительные размеры (высота 2-4 м, 10-20 м в поперечнике). Основная часть термокарстовых форм рельефа, имеющих широкое распространение, приурочена к торфяникам, большую часть термокарстовых образований на торфяниках составляют реликтовые формы - крупные озерные котловины и обширные заболоченные депрессии [7, 8].

Для проведения исследований использовались космические снимки со спутников Ьапё8а1-5 и Ьапё8а1-7. Космические снимки Ьапё8а1 позволяют распознавать территории, покрытые темнохвойными, светлохвойными, мелколиственными лесами, пойменные участки, болота разных типов, открытые водные поверхности. Снимки Ьапё8а1-5 получены сканером ТМ, пространственное разрешение 30 м в видимом, ближнем инфракрасном и инфракрасном диапазонах. В качестве сканирующего устройства на борту спутника Ьапёва1;-7 применена мультиспектральная камера ЕТМ+, позволяющая принимать информацию в 8-ми спектральных каналах. Пространственное разрешение снимков земной поверхности в видимых и инфракрасных каналах составляет 30 м, разрешение панхроматического изображения - 15 м и разрешение термального канала - 60 м.

Для анализа современного криогенного состояния территории на тестовом участке, выбранном на южном пределе распространения многолетнемерзлых пород в Западной Сибири, была сформирована коллекция космических снимков Ьапё8а1-5 и Ьапё8а1-7 и проведена их обработка. Анализ результатов показал, что на космических снимках наблюдаются объекты, которые могут быть интерпретированы как криогенные формы ландшафта. На рис. 1-а для иллюстрации приведено изображение грядово-мочажинного болота на аэрофотоснимке, заимствованное из [3]. Как видно из рис. 1-б, где приведен фрагмент космического снимка Ьапё8а1-7 с пространственным разрешением 15 м, грядово-мочажинные болота также достаточно четко выделяются.

а б

Рис. 1. Изображение грядово-мочажинного болота:

а - на аэрофотоснимке, б - на космическом снимке

На рис. 2 приведен фрагмент космического снимка Ьапёва1;-5, на котором обозначены термокарстовые озера, грядово-озерковые комплексы и грядово-мочажинные торфяники с элементами солифлюкции.

Рис. 2. Фрагмент космического снимка Landsat-5 территории центральной части

Сибирских увалов.

Обозначения: 1 - термокарстовые озера; 2 - грядово-озерковые комплексы; 3 - грядово-мочажинные торфяники с элементами солифлюкции

Следовательно, проведенный анализ показал, что обнаруживаемые на космических снимках исследуемой территории грядово-мочажинные болотные комплексы и торфяники с элементами солифлюкции, термокарстовые озера, грядово-озерковые комплексы, являющиеся посткриогенными формами, могут быть использованы для мониторинга изменений границ вечной мерзлоты в Западной Сибири в условиях глобального потепления.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ «Обь» (проект № 05-05-98002).

ЛИТЕРАТУРА

1. Некрасов И. А., Петропавловская М.С. Опыт применения космических снимков для геокриологического картирования // Исследования Земли из космоса. - 1983. - № 2. - С.14-20.

2. Гудилин И.С., Комаров И.С. Применение аэрометодов при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях. - М.: Недра, 1978. - 319 с.

3. Мельников Е.С., Вейсман Л.И., Крицук Л.Н. Ландшафтные индикаторы инженерногеокриологических условий севера Западной Сибири и их дешифровочные признаки. -М.: Недра, 1974. - 132 с.

4. Тыртиков А.П. Динамика растительного покрова и развитие мерзлотных форм рельефа. -М.: Наука, 1979. - 116 с.

5. Протасьева И.В. Аэрометоды в геокриологии. - М.: Наука, 1967. - 196 с.

6. Клюев П.И., Чуфистова З.В. Ландшафтные индикаторы геокриологических условий болотных массивов центральной части Западной Сибири // Инженерно-геологические и геокриологические исследования в Западной Сибири. М.: Стройиздат. - 1987. - С. 27-31.

7. Шаманова И.И. Геокриологические условия Центральной части Сибирских Увалов // Известия АН СССР. Сер. географическая. - 1975. - № 4. - С. 109-116.

8. Уваркин Ю.Т., Чеховский А.Л., Шаманова И.И. Условия существования и динамика многолетнемерзлых пород Западной Сибири вблизи южной границы // Известия АН СССР. Сер. географическая. - 1980. - № 1. - С. 106-112.