Многолетние изменения термического состояния грунтов на правобережье средней Лены

Практическая сторона полученных результатов состоит в реальной возможности использования предложенных математических моделей температурных зависимостей для диагностики температурного режима ММП на глубине 10 м на ранних стадиях изыскательских работ. Подобные модели с ещё большей эффективностью могут работать в системе геокриологического мониторинга с целью контроля и прогноза температурного состояния мёрзлой среды на стадиях разработки и эксплуатации золоторудного месторождения Кючус и других месторождений Якутии.

В этом отношении особую роль представляет геофизический мониторинг температурного состояния бортов намечаемого к разработке карьера месторождения Кючус и берегов молодых озёр термокарстового происхождения. Неконтролируемый процесс вытаивания донных и береговых подземных льдов, который может произойти или уже происходит под воздействием техногенных или климатических факторов, рано или поздно приведёт к сбросу огромного количества воды в сторону будущего карьера.

Литература

1. Нерадовский, Л.Г. Температурная зависимость сигналов георадиолокации в освоенных районах

УДК 551.345

криолитозоны Якутии / Л.Г. Нерадовский ; отв. ред. Г.П. Кузьмин ; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т мерзлотоведения им. П.И. Мельникова. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2011. - 166 с.

2. Шестернёв, Д.М. Исследование криолитозоны методом РСВП / Д.М. Шестернёв, А.П. Карасёв, В.В. Оленченко. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. -238 с.

3. Ефремов, В.Н. Температурная зависимость сезонных изменений электрического сопротивления многолетнемёрзлого грунта / В.Н. Ефремов // Материалы IV конф. геокриологов России. МГУ им. М.В. Ломоносова, 7-9 июня 2011 г. Т. 1. - М.: Университетская книга, 2011. - 376 с.: табл., ил.

4. Некрасов И.А., Девяткин В.Н. Морфология криолитозоны бассейна реки Яны и сопредельных районов. - Новосибирск: Наука, 1974. - 72 с.

5. Bosikov N.P., Murzin Y.A., Torgovkin Y.I. Climate and Dinamiks of Cryogenic Processes in the Verhoyansk Region. 1st CliC International Science Conference 11-15 April 2005, Beijing China.

6. Нерадовский, Л.Г. Возможности использования электромагнитного поля для температурного мониторинга многолетнемёрзлых пород Центральной Якутии / Л.Г. Нерадовский, Ю.Б. Скачков // Материалы Международной конференции: «Криогенные ресурсы полярных регионов». Т. 2. - Салехард, 2007. - С. 173-176.

Поступила в редакцию 16.04.2012

Многолетние изменения термического состояния грунтов на правобережье средней Лены

С.П. Варламов, П.Н. Скрябин

Обобщены результаты геокриологического мониторинга, организованного с 1987 г. на правобережье средней Лены. Объектами исследований являются верхние горизонты криолитозоны. Сделан вывод, что основным фактором, определяющим межгодовые изменения термического состояния мерзлотных ландшафтов, является режим снегонакопления. На основе экспериментальных данных количественно оценена динамика термического состояния грунтов. Установлено, что тренды изменений средних годовых температур грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов изменяются от слабо отрицательных до положительных значений.

Ключевые слова: мерзлотные ландшафты, мониторинг, криолитозона, климат, среднегодовая температура грунтов, тренды.

The article summarizes the results ofpermafrost monitoring conducted on the right side of the middle Lena River since 1987. The results indicate that that snow accumulation regime is the most important factor controlling interannual variations in the thermal state of permafrost landscapes. Based on the observation data,

ВАРЛАМОВ Степан Прокопьевич - к.г.н., с.н.с. ИМЗ СО РАН, vsp@mpi.ysn.ru; СКРЯБИН Павел Николаевич -к.г.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН, vsp@mpi.ysn.ru.

the dynamics of the ground thermal state has been estimated. It has been found that trends in mean annual ground temperature at the depth of zero annual amplitude range from weakly negative to positive.

Key words: permafrost landscapes, monitoring, permafrost, climate, mean annual ground temperature, trends.

Введение

В последние десятилетия ХХ века возрос интерес к проблеме реакции вечной мерзлоты на потепление климата. Это стало одной из приоритетных задач геокриологических исследований, имеющей важное научное и практическое значение. Примерно 65% территории России занимает многолетняя мерзлота, чувствительная к изменениям климата.

Начиная с 1987 г. Институт мерзлотоведения СО РАН проводит комплексный геокриологический мониторинг на правобережье средней Лены на её низких, средних, высоких террасах и в северной части Приленского плато вдоль трассы АЯМа. Основная цель этих исследований заключается в оценке динамики термического состояния грунтов при современном изменении климата. Итоги мониторинга представляют надежную основу для прогноза эволюции криоли-тозоны и осуществления мероприятий по охране окружающей среды.

Постановка и методика исследований

При выполнении работ решались следующие основные задачи: маршрутное обследование ландшафтных условий территории, выбор объектов, организация системы наблюдательной сети, проведение режимных наблюдений на геокриологических мониторинговых полигонах, анализ данных многолетних наблюдений на метеостанциях, оценка пространственно-временной изменчивости теплового состояния грунтов в естественных условиях.

Исследования потребовали выполнения значительного объёма работ. Пробурено свыше 200 скважин инженерно-геологического и гидрогеологического назначения глубиной от 10 до 30 м, пройдено более 250 шурфов и канав, в полевых условиях выполнено почти 3400 определений влажности (льдистости) и объёмной массы покровов и грунтов, для лабораторных анализов отобрано 310 проб грунтов. В итоге установлены особенности геологического строения территории, характер распространения многолет-немерзлых пород, льдистости и температуры последних, влажности и мощности грунтов деятельного слоя, развития таликов, криогенных процессов и явлений.

Выявлено, что район работ характеризуется неоднородностью инженерно-геокриологиче-

ских условий даже в пределах небольших участков. Здесь выделено более 100 природно-территориальных комплексов, различающихся между собой растительным и напочвенным покровами и, как следствие, мерзлотными условиями. Средняя годовая температура грунтов в различных типах местности изменяется от положительных значений до минус 6-7оС, а глубина сезонного протаивания - от 0,5 до 4 м. В целом на низких (1-111) надпойменных террасах р.Лены наблюдается сплошное распространение многолетнемёрзлых пород как по площади, так и в разрезе. Бестяхская (IV) и тюнгюлюнская (V) террасы характеризуются наличием над- и межмерзлотных водонасыщенных таликов среди высокотемпературных криогенных толщ. Отличительной особенностью абалахской (VI) террасы является значительное распространение повторно-жильных льдов в супесчано-сугли-нистых отложениях. Фрагментарное развитие ледового комплекса отмечается и в пределах склонов Приленского плато.

В основу исследований теплового режима грунтов, параметры которого изменяются в суточном, сезонном и годовом циклах, были положены ландшафтный, теплофизический и мониторинговый методы. Они включали ландшафтную типизацию природно-территориаль-ных комплексов, организацию экспериментальных площадок и системы наблюдений на них. Ландшафтные исследования представляют дистанционное и наземное изучение природно-территориальных комплексов, их систематизацию и картографическое обобщение. Они послужили основой выбора объектов и организации мониторинга за термическим состоянием верхнего горизонта криолитозоны. Экспериментальные площадки и термометрические скважины были оборудованы в различных ландшафтных условиях и охватили почти все типичные природные комплексы исследуемой территории.

Мониторинговые полигоны созданы в 6 физико-географических районах, где выделено 9 типов местности и более 100 урочищ (табл. 1).

Объектами исследований являются литоген-ные основы мерзлотных ландшафтов - горные породы слоя годовых теплооборотов до глубины 10-15 м. Основные термические параметры верхних горизонтов криолитозоны: мощность сезонноталого слоя ( ) и средняя годовая температура грунтов на подошве слоя годовых теп-

Т а б л и ц а 1 Состав наблюдений на мониторинговых полигонах

Тип местности Полигон Начало наблюдений, год

Приленский долинно-лесостепной район

Пойменный Туймаада, Хаптагай, Кердём 1986 1987

Надпойменно-низкотеррасовый

Бестяхский песчано-грядовый район

Песчано-грядовый Эльгэн Эльгэн, Нижний Бестях 1987 1987, 1993

Межгрядово-низинный

Тюнгюлюнский аласно-котловинный подрайон

Песчано-грядовый Булуус Мундулах 1987 1993

Межгрядово-низинный

Межаласный

Аласный

Лено-Амгинский аласно-долинный район

Межаласный Тарынг, Былдьаана 1987, 1989

Аласный

Мелкодолинный

Лено-Амгинский песчаниковый район

Плакорный Верхняя Лютенга 1995

Мелкодолинный

Склоновый

Состав наблюдений

1. Ландшафтное обследование

2. Состав и криогенное строение грунтов

3. Криогенные процессы и явления

4. Температура грунтов

5. Влажность и объемный вес грунтов

6. Протаивание грунтов

7. Теплопроводность напочвенных покровов и грунтов

8. Высота и плотность снежного покрова

лооборотов (1;о). Регистраторами температуры грунтов являлись полупроводниковые терморезисторы ММТ-4 с точностью измерений ±0,1оС. Замеры температуры грунтов в скважинах проводятся терморезисторными гирляндами на глубинах 1, 2, 3, 4, 6, 8 и 10 м. В режимных скважинах термогирлянды установлены для проведения стационарных измерений, т.е. стволы их заполнялись ранее извлеченным грунтом. Систематические температурные наблюдения различной длительности проводятся периодичностью от одного до двух-четырех раз в год. На сегодняшний день накоплен большой объем уникальных данных, полученных за последние три десятилетия. Обобщение и анализ результа-

очередь, с увеличением числа аномально теплых зим, которые в свою очередь вызваны нарушениями циркуляции атмосферы. Так, с 1981 по 2010 г., по данным метеостанции Якутск, отмечалось 24 зимы с суммой отрицательных температур воздуха выше среднего многолетнего значения. Увеличение же температуры воздуха в летние сезоны было менее значимым в последние два десятилетия прошлого века, однако в первое десятилетие наступившего века отмечено 8 аномально теплых летних периодов.

Годы наблюдений оказались неравнозначными по сумме температур воздуха, количеству выпадавших атмосферных осадков, мощности снежного покрова и сроков его образования. При проведении исследований отмечены все аномальные климатические сезоны, в которых среднее значение климатической характеристики выходит за пределы величины среднего квадратического отклонения о. Если значение характеристики не выходит за величину о, но больше величины 1/2 о, то такой сезон нами считается теплым или холодным, сухим или влажным, мало- или многоснежным. За период наблюдений по среднезимней температуре воздуха 6 зим были нормальными, 3 -теплыми, 19 - аномально теплыми и только одна холодная. По высоте снежного покрова отмечены следующие зимы: 7 аномально многоснежные, 7 многоснежные, 3 аномально малоснежные, 3 малоснежные, 10 - нормальные (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Оценка годового, холодного и теплого периодов по сочетанию тепла, влаги и режима снегонакопления в 1980/1981-2009/2010 гг.

Температу ра воздуха Осадки Снежный покров

Год ХП ТП Год ТП ОУС Ис

АХ - - 1 АС 5 6 АП 5 АМл 3

Х - 1 1 С 5 6 П 7 Мл 3

Н 6 7 10 Но 13 10 Ноус 4 Нс 10

Т 5 3 5 В 5 7 Р 10 Мн 7

АТ 19 19 13 АВ 2 2 АР 4 АМн 7

Современное изменение климата

В Центральной Якутии за последние 30 лет наблюдается один из наиболее высоких в России трендов повышения средней годовой температуры воздуха (до 0,08оС /год). Если в 60-70-е годы прошлого века потепление климата еще не было таким заметным, то в 80-е годы оно проявилось уже достаточно отчетливо. Последнее же десятилетие ХХ века стало самым теплым (8,7 оС) за всю историю метеорологических наблюдений в Центральной Якутии [3]. Такая же тенденция сохраняется и в первое десятилетие наступившего века. Повышение средней годовой температуры воздуха связано, в первую

Примечание: ХП - холодный период, ТП - теплый период; температура воздуха: АХ - аномально холодный, Х - холодный, Н - нормальный, Т - теплый, АТ - аномально теплый; осадки: АС - аномально сухой, С - сухой, Но -нормальный, В - влажный, АВ - аномально влажный; сроки образования устойчивого снежного покрова (ОУС): АП

- аномально поздний, П - поздний, Ноус - нормальный, Р

- ранний, АР - аномально ранний; средняя высота снега в холодный период (Ис): АМл - аномально малоснежный, Мл - малоснежный, Нс - нормальный, Мн - многоснежный, АМн - аномально многоснежный.

Сценарии ожидаемых изменений температуры воздуха в XXI веке у исследователей разные. Прогноз изменения климата, составленный Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова (ГГО) и основанный на результатах экстраполяции климатических характеристик, показывает, что фактически наблюдаемый тренд повышения средней годовой температуры воздуха на территории России к 2010-2015 гг. сохранится и приведет к ее росту по сравнению с 2000 г. на 0,6±0,2оС, к 2030 г. на 1,5оС. Также прогнозируется дальнейшее повышение среднего количества атмосферных осадков преимущественно за счет их увеличения в холодный период. На севере Восточной Сибири ожидается увеличение количества осадков зимой на 7-9% и снегонакоплений на 2-4% [4]. В Восточной Сибири к концу XXI века ожидается повышение средней годовой температуры приземного воздуха на 6,1±1,6оС по сравнению к средним её значениям за два последние десятилетия XX века [5]. Прогноз изменения средней годовой температуры приземного воздуха в г. Якутске до 2015 г., составленный в Институте мерзлото-

Т а б л и ц а 3

Характеристики температурного режима грунтов в различных типах местности

ведения СО РАН с помощью метода гармонического анализа, почти совпадает с прогнозом ГГО, а далее расходится. В г. Якутске в дальнейшем прогнозируют похолодание до середины XXI века на 2-3оС [6]. В связи с этим всех особенно беспокоит увеличение количества осадков зимой, т.е. многоснежность. Это один из основных факторов, определяющих в исследуемом регионе значительную роль к повышению температуры грунтов.

Результаты многолетних исследований термического режима грунтов

Основные параметры температурного режима грунтов в доминирующих типах местности в обобщенном виде представлены в табл. 3.

По данным наблюдений с 1987 по 2011 г. тренды средних годовых температур грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов в различных физико-географических районах изменяются от слабо отрицательных до положительных значений. При этом четко прослеживается их зависимость от состава и термического типа се-зоннопротаивающих грунтов (табл. 4).

Т а б л и ц а 4

Грунт Ис, см Ннп, см м Ъ 0с

Плакорный

Песок, су- 50-71 7-12 1-1,5 -1,5...-0,8

песь, суглинок

Склоновый

Песок, супесь, 27-53 14-33 1,31-4,11 -2,5...-0,2

суглинок

Мелкодолинный

Торф, супесь, 26-71 4-25 0,5-2,78 -6,6.-0,5

суглинок,

песок

Межаласный

Супесь, 27-66 3-17 1,27-2,20 -2,8.-0,6

суглинок

Аласный

Торф, супесь, 25-66 5-12 1,16-2,86 -3,5.-0,1

суглинок

Межг| рядово-низинный

Торф, песок, 24-59 3-30 0,46-1,68 -3,7.-0,1

супесь

Песчано-грядовый

Песок 20-58 1-12 1,39-4,00 -2,8.0,7

Надпойменно-низкотеррасовый

Песок, 32-45 1-12 >2,05 -2,3.-0,2

супесь

Пойменный

Песок, 23-58 5-13 1,95-2,05 -2,1.-0,9

супесь

Изменение трендов средней годовой температуры грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов

Примечание: ^ - высота снежного покрова, Нт -мощность напочвенного покрова, £, - глубина сезонного протаивания, ^-среднегодовая температура на подошве слоя годовых теплооборотов

Район Тип местности Грунт Тер-миче-ский тип Период наблюдений Тренды, оС/год

Приленский долинно- лесостепной Низкотеррасовый Песок -1.0 1987-2011 0,000

Пойменный Супесь, песок -2.-1 1989-2009 0,010

Бестяхский песчано- грядовый Песчано-грядовый Песок 0.1 1987-2011 -0,005

-1.0 1987-2011 0,003-0,005

-2.-1 1987-2011 0,02-0,03

-3.-2 1993-2011 0,045

Межгрядо- во-низин- ный Торф, песок -3.-2 1987-2011 0,01.0,037

Мелкодолинный Ниже - 5 1987-2011 0,55

Тюнгюлюн-ский аласно-котловинныи Песчано-грядовый Песок 0.1 1987-2011 0,009

-1.0 1988-2011 0,005

Межаласный Суглинок -3.-2 1993-2011 0,32

Лено-Амгин-ский аласно-долинный Аласный Супесь -1.0 1989-2011 -0,01-0,01

Межаласный -2.-1 1987-2011 0,016-0,028

-3.-2 1990-2011 0,02

Лено-Амгин-ский песчаниковый Плакорный Суглинок, супесь -2.-1 1995-2011 0,011

Межаласный Суглинок -2.-1 1995-2008 0,028

Отрицательные тренды отмечаются в урочищах переходного типа сезоннопротаивающих грунтов, где средняя годовая их температура изменяется от положительных значений до -1оС. Во всех урочищах преобладает положительный тренд температуры грунтов в слое годовых теп-лооборотов. При этом наименьшие тренды характерны для ландшафтных комплексов с высокотемпературными многолетнемерзлыми породами и с наибольшими глубинами сезонного протаивания. Наибольшие тренды свойственны ландшафтным комплексам с низкотемпературными грунтами и, как правило, с наименьшими глубинами сезонного протаивания.

Мониторинговые наблюдения установили, что в изменении Т0 нет однозначности, а некоторое снижение температуры грунтов в отдельных ландшафтах свидетельствует об устойчивом их состоянии. Исследования показали, что с 1987 по 2004 г. происходили равномерная сменяемость мало- и многоснежных зим, снижение высоты снежного покрова, что отразилось на динамике температурного режима грунтов. Зимы 2005-2007 годов отличались аномальной многоснежностью и ранними сроками образо-

С-5/87 -Ш-С-Ш87 —й— В-43/87 Е-57/В7 —О— С-59/87 —•—С-192/В9

Рис. 1. Многолетнее изменение средней годовой температуры грунтов на глубине 10 м в различных типах местности: меж-грядово-низинный

вания устойчивого снежного покрова, что привело к резкому повышению Т0, особенно на низкотемпературных ландшафтных комплексах. Однако зимы 2009 и 2010 годов отличались аномальной малоснежностью с поздними сроками образования устойчивого снежного покрова, поэтому грунты сильно охладились почти до уровня 2002/03 г. (рис.1).

Рис. 2. Термоэрозионный овраг, образовавшийся весной 2006 г. на участке распространения пород ледового комплекса

За весь период наблюдений самые низкие и аномально высокие температуры грунтов отмечены соответственно в 2002/03 и 2006/07 гидрологические годы. Зима в 2002/03 г. была аномально малоснежной и с аномально поздним сроком его установления. Эти факторы обусловили сильное охлаждение грунтов, несмотря на аномально теплые зимние и летние сезоны. Последующие годы характеризовались многоснежными зимами, заметными весенними высокими половодьями и обильными осенними атмосферными осадками. Вследствие повышения температуры и глубины сезонного протаивания верхних горизонтов многолетнемерзлых пород активизировались различные криогенные процессы (термокарст, термоэрозия и др.). На низко расположенных ландшафтных территориях отмечено заболачивание и обводнение. Эти аномальные сезоны привели к повышению уровня зеркала воды озер, обводнению ранее сухих озерных котловин, повышению уровня над-мерзлотных вод сезонноталого слоя (рис. 2).

На обводненных участках отрицательных форм рельефа в холодные периоды при промерзании грунтов не происходило смыкания промерзающего деятельного слоя с многолетне-мерзлыми породами, отмечалось заметное повышение температуры грунтов в слое годовых теплооборотов. В целом в период с 2002/03 по 2006/07 г. температура грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов в различных ландшафтах повысилась на 0,3-3,5оС.

Выводы

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы:

1. В последние 30 лет в Центральной Якутии наблюдается один из наиболее высоких на севере России трендов повышения средней годовой температуры воздуха.

2. За весь период наблюдений (1987-2011 гг.) самые низкие и высокие температуры грунтов отмечены соответственно в аномальные 2003 и 2007 годы.

3. Основным регулирующим фактором устойчивого термического состояния грунтов является слаботеплопроводный снежный покров. Факторами повышения средней годовой температуры грунтов являются многоснежность зим, ранние сроки образования устойчивого снежного покрова и увеличение количества осадков в конце теплого периода (август-сентябрь), а факторами понижения - малоснежность зим и поздние сроки образования устойчивого снежного покрова.

4. Многолетняя динамика термического состояния грунтов свидетельствует об относительной устойчивости высокотемпературных и слабой - низкотемпературных многолетнемерз-лых пород.

Литература

1. Варламов С.П., Скачков Ю.Б., Скрябин П.Н. Температурный режим грунтов мерзлотных ландшафтов Центральной Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2002. - 218 с.

2. Скрябин П.Н., Скачков Ю.Б., Варламов С.П. Исследования теплового режима грунтов в Центральной Якутии // Наука и образование. - 2004. - № 4 (36). - С. 56-62.

3. Скачков Ю.Б. Современные изменения климата Центральной Якутии // Климат и мерзлота: комплексные исследования в Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2000. - С. 55-63.

4. Стратегический прогноз изменений климата Российской Федерации на период до 2010-2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России. - М., 2005.

- 28 с.

5. Мелешко В.П., Катцов В.М., Говоркова В.А. и др. Климат России в XXI веке. Часть 3. Будущие изменения климата, рассчитанные с помощью ансамбля моделей общей циркуляции атмосферы и океана СМ!Р3 // Метеорология и гидрология. - 2008. - № 9.

- С. 5-21.

6. Шендер Н.И., Романовский В.Е., Тетельбаум А.С. Прогноз естественноисторических колебаний климата городов Якутска и Фэрбенкса // Наука и образование. - 1999. - № 2. - С.24-29.

Поступила в редакцию 14.03.2012