Исследование термосуффозионных процессов в Центральной Якутии

последние 44 года в 15% случаев отмечался в июне, в 76% случаев - в июле и в 9% случаев -в августе.

Ближайшее время покажет, верны ли наши выводы, но даже, если обозначенные пределы: -50оС и 38,3оС в отдельные годы и будут превзойдены, уже сейчас очевидно, что тенденции роста минимальных температур воздуха и незначительного роста максимальных температур воздуха сохранятся. Из этого также следует, что будет происходить и дальнейшее уменьшение годовой амплитуды температуры воздуха.

Литература

1. Виноградова Г.М., Завалишин Н.П., Кузин В.И. Внутривековые изменения климата Восточной Сибири // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - № 5-6. - С. 408-411.

2. Разуваев В.Н. Погода и климат в России в XX веке // Россия в окружающем мире: 2001 (Аналитический ежегодник). - М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. -332 с.

3. Кусков А.И., Катаев С.Г. Структура и динамика приземного температурного поля над азиатской тер-

риторией России. - Томск: Изд-во Том. пед. ун-та, 2006. - 176 с.

4. Ревякин В. С., Харламова Н.Ф. Региональные изменения климата и природной среды Центральной Азии // Мировой океан, водоемы суши и климат: тр. XII съезда РГО. - СПб., 2005. - Т. 5. - С. 369-377.

5. Кочугова Е.А., Кошкин Д.А. Тенденции изменения годовых экстремумов приземной температуры воздуха на территории Иркутской области // География и природные ресурсы. - Новосибирск: Наука, 2010. - №2. - С. 63-69.

6. http:// meteo.ru/climate_var/sp.php?id_page=2 // Сайт ГУ «ВНИИГМИ - МЦД» (ГУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - Мировой центр данных»).

7. 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.

8. Скачков Ю.Б. Современная изменчивость основных элементов климата г. Якутска // Восьмое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу: материалы российской. конф. - Томск: Аграф-Пресс, 2009. - С. 83-84.

Поступила в редакцию 07.03.2012

УДК 551.435.8

Исследование термосуффозионных процессов в Центральной Якутии

Л.А. Гагарин

По данным режимных мерзлотно-гидрогеологических работ и математического моделирования условий теплообмена талых и мерзлых пород в зоне разгрузки подземных вод в условиях Центральной Якутии выявлены причины и динамика развития термосуффозионных процессов.

Ключевые слова: суффозия, термосуффозия, кондуктивный теплообмен, конвективный теплообмен, подземные воды.

The causes and dynamics of thermo-suffosion processes development are revealed using the data of geo-cryological, hydrogeological works and mathematical modeling of heat exchange conditions between thawing and permafrost rocks in the zone of underground waters discharge in conditions of Central Yakutia.

Key words: suffosion, thermo-suffosion, conductive heat exchange, convective heat exchange, underground waters.

Введение

В последние годы многими исследователями приводятся данные об изменении климата на нашей планете. Наиболее неустойчивыми к внешним климатическим или техногенным воздействиям являются многолетнемерзлые породы, имеющие высокую отрицательную температуру, близкую к нулю градусов Цельсия. В Цен-

ГАГАРИН Леонид Александрович - инженер-исследователь ИМЗ СО РАН, gagarinla@gmail.com.

тральной Якутии одними из таких участков являются отложения бестяхской террасы р. Лены. Значительное повышение температур воздуха и количества выпадающих атмосферных осадков приводит здесь к активизации различного рода геокриологических процессов. Одним из таких процессов, связанным с эрозионной и теплооб-менной деятельностью подземных вод, является термосуффозия, которая в настоящий момент времени остается мало изученной. На бестях-ской террасе р. Лены выявлены участки разви-

тия термосуффозии, представляющие серьезную опасность для федеральной автотрассы АЯМ.

На дневной поверхности этот процесс проявляется в виде линейно вытянутых воронкообразных понижений различных размеров, достигающих в диаметре 20-30 м и глубиной до 15 м. Конечной формой развития термосуффозион-ных депрессий является формирование цирко-образного оврага.

Цель данной работы - выяснение причин активизации термосуффозионных процессов и оценка их динамики. Для этого были проведены режимные мерзлотно-гидрогеологические работы и численное моделирование температурного поля горных пород в области разгрузки подземных вод (источник Улахан-Тарын).

Характеристика участка

Исследуемая территория расположена в пределах IV (бестяхской) надпойменной террасы р. Лены. Поверхность террасы относительно ровная, осложнена долиной ручья Улахан-Тарын с глубиной вреза порядка 30 м (рис. 1).

Отложения бестяхской террасы р. Лены представлены средне- и мелкозернистыми песками с гравийно-галечниковым слоем в основании. Мощность аллювия достигает 50-80 м [1]. Возраст аллювиальных отложений датируется средним плейстоценом. Четвертичные отложения подстилаются среднекембрийскими известняками, трещиноватыми в верхней части.

Многолетнемерзлые породы на исследуемой территории имеют сплошное распространение. Мощность их не превышает 200 м [1]. Температура многолетнемерзлых пород на выровненных участках террасы весьма высокая и достигает значений, близких к 00С, в долине ручья Ула-

хан-Тарын она понижается до -2,5оС [2]. Характерной особенностью бестяхской террасы является широкое распространение сквозных и несквозных таликов преимущественно радиаци-онно-теплового, гидрогеогенного и гидрогенного типов.

В пределах исследуемого участка распространены водоносные горизонты надмерзлотно-го (сезонноталого слоя и надмерзлотной верховодки), межмерзлотного и подмерзлотного типов. К бортам долины ручья Улахан-Тарын приурочены пять локализованных групп разгрузки подземных вод: А, В, С, Б и Е (рис. 1). По условиям питания и транзита эти подземные воды относятся к надмерзлотно-межмерзлот-ному типу. По данным гидрорежимных наблюдений, средний многолетний дебит всех групп источников Улахан-Тарын составляет порядка 280 л/с. Воды напорные. Величина гидродинамического напора вблизи участков разгрузки подземных вод изменяется от 16 м летом до 17,2 м зимой. В районе источника подземным потоком выносится большое количество песка, а на поверхности террасы формируются суффо-зионные воронки диаметром от первых метров до 30 м и глубиной от 1-2 до 15 м. Подобные воронки обычно приурочиваются к линейно вытянутым понижениям в рельефе протяженностью до 300 м [3-7].

Постановка задачи

Предыдущими исследователями установлено, что в зоне разгрузки подземных вод надмерз-лотно-межмерзлотного типа формируются пе-щерообразные углубления, названные Н.И. Тол-стихиным «трубами овального сечения» [3-5]. Формирование такого рода пещер в местах концентрированной разгрузки подземных вод в районе источника Улахан-Тарын носит массовый характер. Так, осенью 2007 г. в северо-восточной части цирка Б этого источника автором была обнаружена полость диаметром около 1 м, из которой вытекал ручей. Протяженность полости вглубь террасы составляла не менее 2 м. Стенки ее были покрыты слоем льда толщиной у основания до 5 см (вероятно, в зимний период года корка льда имеет большую величину в связи с постепенным послойным замерзанием разгружающейся воды). Через месяц, при повторном ее обследовании, часть вышележащего песчаного массива сдвинулась в виде оползня вниз по склону и была эродирована водным потоком. При этом

обнажилась задняя стенка полости, впереди которой пульсировал источник межмерзлотных вод. Диаметр водовыводящей зоны составлял порядка 30 см. Разгрузке межмерзлотного водоносного горизонта сопутствовал вынос большого количества песка.

Для исследования условий теплообмена и формирования геокриологической обстановки в области разгрузки подземных вод автором было выполнено математическое моделирование. Моделирование осуществлялось численным методом на ЭВМ в программе Warm, разработанной на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ. Программа моделирует кон-дуктивную теплопередачу с фазовыми превращениями вещества при взаимодействии мёрзлых, промерзающих и протаивающих пород с окружающей средой. Осесимметричная задача решается для двухмерного случая в цилиндрических координатах.

Моделировалась субвертикальная водовыво-дящая зона с цилиндрической полостью (рис. 2). Теплоотдача сильно турбулизированного подземного водного потока моделировалась путем задания в осевой части полости некоторого фиктивного тепловыделения, которое обеспечивало бы устойчивость ее боковому промерзанию. Выход подземных вод на поверхность задавался в виде цилиндрической полости радиусом 0,7 м (рис. 2). Радиус расчетной области принимался равным 20 м вглубь по вертикали и горизонтали (рис. 2). Это допущение делалось для того, чтобы выявить область (радиус) теплового влияния теплоисточника (фиктивного тепловыделения) на окружающие мерзлые горные породы. Радиус внутренней границы всей расчетной области (ось цилиндрической полости, по которой осуществляется разгрузка подземных вод) был принят равным 0,1 м (рис. 2). Здесь задавалось граничное условие второго рода, характеризующее фиктивный тепловой поток, который удовлетворял бы условию: в

зимний период водопроводящая зона не должна перемерзать. В связи с этим в верхней части разреза до глубины 2,20 м (слой сезонного оттаивания) плотность теплового потока принималась равной 45 Вт/м2, а в нижней части, глубже 2,20 м - 30 Вт/м2. На нижней и внешней границах расчетной области (рис. 2) задавалось граничное условие второго рода с плотностью теплового потока, равной 0, т.е. условие полной теплоизоляции. Это допущение принималось потому, что глубинный теплопоток в данном районе имеет очень небольшую величину, порядка 45 мВт/м2, и им можно пренебречь [8].

В верхней части расчетной области задавали граничные условия третьего рода двух групп (рис. 2). Первая группа соответствовала области, равной радиусу водовыводящей цилиндрической полости. Здесь подразумевалось, что в летний период теплообмен осуществляется между породой и атмосферой, а в зимний период между породой и наледью, сформированной за счет разгрузки и послойного намерзания подземных вод межмерзлотного водоносного горизонта. Температура воздуха для летнего периода задавалась по данным М.К. Гавриловой, а для зимнего периода принималась равной 0°С, поскольку мощность наледи и постепенное ее увеличение препятствуют проникновению низкотемпературной волны, исходящей из атмосферы [9]. Коэффициент теплообмена в зимний и летний периоды задавался равным 0,99 Вт/(м2^°С), т.е. бесконечно большим. Это можно объяснить тем, что в зимний период температура поверхности земли определяется температурой нижней части наледи, а в летний период на поверхности горных пород отсутствует какой-либо слой, оказывающий термическое сопротивление.

Вторая группа граничных условий третьего рода задавалась на всю оставшуюся часть расчетной области (от 0,7 м до 20 м). Температура воздуха была задана по данным М. К. Гаврило-вой [9]. Коэффициент теплообмена для летнего

времени также принимался бесконечно большим, поскольку теплообмен осуществляется между дневной поверхностью и атмосферой

Рис. 2. Схематическая модель условий теплообмена вблизи выхода подземных вод на дневную поверхность

без влияния какого-либо покрова (растительность в этой зоне отсутствует). В зимний период учитывалось отепляющее влияние снежного покрова, поэтому коэффициент теплообмена здесь задавался по данным М.К. Гавриловой [9].

Начальные данные

Как было указано выше, в расчетной схеме были выделены три области: 1) водоносный слой; 2) сезонноталый слой; 3) многолетнемерз-лые породы. Для каждой области задавались следующие теплофизические характеристики: коэффициент теплопроводности в мерзлом и талом состояниях (Ам и А) теплоемкость пород в мерзлом и талом состояниях (См и Ст), а также значение количества тепла, расходуемого на фазовые переходы воды ^ф).

Водоносный слой. Эта расчетная область представлена подземными водами, поэтому коэффициенты теплопроводности в мерзлом и талом состояниях принимались равными соответствующим значениям льда и воды: Ат = 0,58 Вт/(м^0С), Ам = 2,3 Вт/(м^0С). Объемная теплоемкость водоносных песков в мерзлом и талом состояниях принималась равной: Ст = 2304 кДж/ (м3-0С), См = 2011 кДж/(м3-0С) [10]. Значение количества тепла, расходуемого на фазовые переходы влаги, задавалось при допущении, что все поры в водоносной породе заполнены водой (для среднезернистых песков весовая влажность W = 60%), и равнялось дф = 305032 кДж/м3.

Сезонноталый слой. Коэффициент теплопроводности и теплоемкость горных пород в талом и мерзлом состояниях в этом расчетном слое принимались равными: А = 1,55 Вт/(м^0С), Ам = 1,71 Вт/(м^°С), Ст = 2304 кДж/( м3-0С), См = 2011 кДж/( м3^0С) [10]. По данным бурения скважин, среднегодовая влажность горных пород в деятельном слое составляла не более 6-7%, что соответствует количеству тепла, расходуемого на фазовые переходы влаги Qф = 53632 кДж/ м3.

Многолетнемерзлые породы. Значения теп-лофизических характеристик в этом расчетном слое задавались по справочным данным: А = 1,41 Вт/(м^С), Ам = 3,29 Вт/(м^°С), Ст = 2304 кДж/( м3-0С), См = 2011 кДж/( м3^С) [10]. Влажность многолетнемерзлых пород, по данным бурения, составляет в среднем 26%, поэтому количество тепла, расходуемого на фазовые переходы влаги, равно: Qф = 160896 кДж/ м3.

Методика расчета

Расчет построенной модели проводился на период, равный 100 лет. Это делалось для того, чтобы температурное поле горных пород на удалении от водовыводящей зоны приняло стационарное состояние, а распределение темпера-

туры по глубине соответствовало природным значениям. Проверка этого условия показала, что температура горных пород на глубине 20 м была в допустимых пределах - не ниже -0,5оС.

Далее производился расчет на конец зимнего периода для того, чтобы показать на какую величину может промерзнуть с боков водовыво-дящая цилиндрическая полость.

Конечный расчет был проведен на момент максимального сезонного оттаивания горных пород, т.е. на конец летнего периода года. Здесь необходимо было показать, что в течение летнего периода образовавшийся вокруг водовыво-дящей полости лед полностью растаял.

Полученные результаты и выводы

В результате расчета построенной математической модели на конец зимнего периода максимальное промерзание водовыводящей цилиндрической полости (рис. 2) составило 55 см, т.е. действующий диаметр ее изменялся от 1,4 м (по заданным начальным данным) до 0,3 м. По сути нас интересуют только первые несколько метров, так как в этом интервале расположена та водоносная зона, которую мы моделируем. Температура пород в водоносной полости весьма высокая и достигает значения 10°С. В действительности это не так - реальная температура пород здесь положительная, но составляет десятые доли градуса. Это несоответствие является следствием замены конвективного теплообмена в водовыводящей полости эквивалентным фиктивным кондуктивным теплообменом и практически не оказывает влияния на конечный результат. К концу летнего периода происходило полное оттаивание льда, образовавшегося здесь при замерзании разгружающегося подземного водного потока.

Таким образом, основной причиной формирования термосуффозии является локализация зоны транзита подземных вод, обусловленная различными геокриологическими условиями поверхности террасы и днища речной долины. По данным предыдущих исследователей, участки разгрузки подземных вод, существующие на бестяхской террасе р. Лены, из года в год мигрируют за счет их перемерзания в зимний период года [6]. Однако анализ полученных данных при математическом моделировании свидетельствует о круглогодичном действии термосуффо-зионных процессов. По-видимому, области сконцентрированной разгрузки подземных вод имеют широкую водовыводящую полость (в нашей модели размер ее задавался равным 0,7 м), поэтому в течение зимнего периода года они не перемерзают. Доказательством этому служат наиболее крупные участки разгрузки подземных

НОВЫЕ НАХОДКИ ИСКОПАЕМОГО ПЕЩЕРНОГО ЛЬВА НА ТЕРРИТОРИИ ЯКУТИИ

вод (группы В, С и Е), которые на протяжении последних пяти лет приурочены к одному и тому же месту. Также подтверждением круглогодичной активности термосуффозии является активное провалообразование в цирке Е, наблюдаемое автором с 2009 г.

Литература

1. Иванов М. С. Криогенное строение четвертичных отложений Лено-Алданской впадины. - Новосибирск: Наука, 1984. - 128 с.

2. Варламов С.П., Скачков Ю.Б., Скрябин П.Н. Температурный режим грунтов мерзлотных ландшафтов Центральной Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2002. - С. 68-81.

3. Максимов В.М., Толстихин Н.И. Гидрогеологический очерк Приленской части Якутского артезианского бассейна (в границах с. Качикатцы - устье р. Алдан). - М.: АН СССР, 1944. - 140 с.

4. Ефимов А.И. Незамерзающий пресный источник Улахан-Тарын в Центральной Якутии // Исследование вечной мерзлоты в Якутской республике. -М.: Изд-во АН СССР, 1952. - Вып.3. - С. 60-105.

5. Шепелев В.В. Оценка эрозионно-суффозионной деятельности источников Центральной Якутии // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1972. - №9. - С. 88-92.

6. Шепелев В. В. Родниковые воды Якутии. -Якутск: Кн. изд-во, 1987. - 128 с.

7. Гагарин Л.А., Семерня А.А. Особенности проявления суффозионных процессов в области распространения многолетнемерзлых пород (на примере Центральной Якутии) // Материалы Четвертой конф. геокриологов России. Т. 2. - М.: Изд-во МГУ, 2011. -С. 217-223.

8. Балобаев В.Т. Геотермия мерзлой зоны литосферы Севера Азии. - Новосибирск: Наука, 1991. - 181 с.

9. Гаврилова М.К. Температура почвогрунтов в разных физико-географических условиях на примере Улахан-Тарын в Центральной Якутии. - Якутск, 1972. - С. 35-51.

10. Фельдман Г.М., Тетельбаум А.С., Шендер Н.И., Гаврильев Р.И. Пособие по прогнозу температурного режима грунтов Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ, 1988. - 240 с.

Поступила в редакцию 07.02.2012

УДК 569.742.7

Новые находки ископаемого пещерного льва на территории Якутии

Г.Г. Боескоров, И.Н. Белолюбский, В.В. Плотников, С.П. Давыдов,

П.А. Лазарев, Л.А. Орлова, А.Д. Степанов, Г.Ф. Барышников

Описаны новые, ранее никем не изученные, редкие находки остатков ископаемого хищника - пещерного льва Panthera spelaea (Goldfuss), обитавшего на протяжении среднего и позднего плейстоцена на территории Якутии. Приводится морфологическое описание черепов, челюстей и локтевой кости ископаемого льва и сравнение размерных показателей пещерных львов из различных регионов Евразии. Обсуждаются результаты радиоуглеродного датирования остатков Panthera spelaea и возможное время вымирания этого хищника.

Ключевые слова: пещерный лев, плейстоцен, морфология, вымирание.

New, previously unstudied by anyone, rare finds of remains of a fossil predator, a cave lion Panthera spelaea (Goldfuss) lived during the Middle and Late Pleistocene on the territory of Yakutia are described. A morphological description of the skulls, jaws, and ulna of the fossil lion and comparison of size figures of cave lions from different regions of Eurasia are presented. The results of radiocarbon dating of the Panthera spelaea remains and possible period of the predator extinction are discussed.

Key words: a cave lion, the Pleistocene, morphology, extinction.

БОЕСКОРОВ Геннадий Гаврилович - д.б.н., в.н.с. ИГАБМ СО РАН, СВФУ, gboeskorov@mail.ru; БЕЛОЛЮБСКИЙ Иннокентий Никифорович - н.с. ИГАБМ СО РАН, (4112)33-58-01, belolyubsky@diamond.ysn. ги; ПЛОТНИКОВ Валерий Валерьевич - с.н.с. отдела изучения мамонтовой фауны АН РС (Я), МаттиШш @таП.ги; ДАВЫДОВ Сергей Петрович - с.н.с. Северо-Восточной научной станции Тихоокеанского института

географии ДВО РАН, (41157)23-0-13; ЛАЗАРЕВ Петр Алексеевич - д.б.н., зав. Музея мамонта ИПЭС; ОРЛОВА

Любовь Александровна - с.н.с. Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, (383)333-27-92; СТЕПАНОВ Александр Дмитриевич - с.н.с. Музея археологии и этнографии СВФУ, (4112)49-68-41; БАРЫШНИКОВ Геннадий Федорович - д.б.н., в.н.с. Зоологического института РАН, (812) 328-07-11.