Термокарстовые озера как образуются
Термокарст: определение, формирование и воздействие на окружающую среду
Термокарст – процесс образования ландшафта в результате таяния почв районов вечной мерзлоты. Это вызвано истощением растительного слоя в следствии естественной эрозии, обезлесения, сельского хозяйства и строительства зданий. Кроме того, термокарсты могут также образовываться из-за перемещения тяжелых транспортных средств над зоной вечной мерзлоты. Размер термокарста прямо пропорционален количеству льда под земной поверхностью. Он зависит от объема и размера растаявшего льда. Термокарсты, как правило, образуются в арктических регионах нашей планеты. Однако иногда они могут формироваться в горных районах, таких как Швейцарские Альпы и Гималаи.
Пример термокарста
Примером большой термокарстовой депрессии является кратер Батагайка, который находится в Восточной Сибири, Республика Саха, Россия. Он около 100 метров в глубину и один километр в длину. Земля, образовавшая кратер Батагаики, начала погружаться в результате таяния вечной мерзлоты в 1960-х годах. Лес вокруг него был очищен, и там произошло большое наводнение. Край кратера очень неустойчив, что часто приводит к регулярным оползням. Вечная мерзлота под кратером продолжает таять и он все еще увеличивается каждый день. Помимо кратера Батагаика, в Сибири и в тундровой зоне есть другие термокарстовые образования.
Причины образования термокарста
Формирование термокарста связанно с несколькими факторами. Во-первых, это указывает на то, что климат стал теплее, чем в ранее. Повышающаяся температура заставляет вечную мерзлоту таять и тем самым образует термокарст. Наблюдения показывают, что повышение температуры в арктической области составляет примерно от 2 до 4° С. Во-вторых, термокарсты указывают на рост количества осадков. Повышение температуры приводит к увеличению количества осадков. В результате дождевая вода и растаявшая вечная мерзлота начинают образовывать небольшие долины или углубления.
Влияние термокарстов
Таяние вечной мерзлоты приводит к созданию небольших прудов, которые могут увеличиваться и стать термокарстовыми озерами. Озеро высыхает в случае продолжения таяния, оставляя на месте депрессию. Другим эффектом таяния льдов под земной поверхностью является высокий риск коллапса. Коллапс приводит к образованию воронок, торос, пещер и туннелей. Такой пейзаж называют термокарстовым рельефом или оттаиванием.
Следовательно, термокарсты – это красивые узоры на поверхности Земли, но они также очень вредны. Частые оползни и загрязнение воздуха парниковыми газами делают их неблагоприятными для окружающей среды нашей планеты.
СОДЕРЖАНИЕ
Термокарстовые озера
Эти озера обычно встречаются в арктических и субарктических низменностях, включая западную часть Канадской Арктики (например, остров Бэнкс, остров Виктория), прибрежную равнину Аляски, внутренние территории Юкон и аллювиальные низменности северной Евразии и Сибири. Наличие в регионе талых озер приводит к тепловым возмущениям, поскольку вода нагревает землю.
Глубина вечной мерзлоты под озером, как правило, меньше, и если озеро имеет достаточную глубину, талик присутствует. Общая морфология (форма, глубина, окружность) варьируется, при этом некоторые талые озера ориентированы, что означает, что они обычно вытянуты в определенном направлении. Хотя механизм их образования окончательно не доказан, считается, что он связан с преобладающими ветрами или штормами. Возмущение (любого рода) приводит к общему потеплению и таянию грунтового льда, после чего происходит проседание поверхности, что приводит к проникновению воды либо в поверхностные воды, либо в растаявший грунтовый лед.
Жизненный цикл озера
Посвящение
Возникновение талого озера начинается с деградации богатой льдом вечной мерзлоты. Естественное зарождение термокарстовых озер можно разделить на два отдельных процесса; в условиях сплошной или прерывистой вечной мерзлоты. В условиях сплошной вечной мерзлоты вода накапливается, когда присутствуют ледяные жилы и полигональный грунт. Из-за прерывистой вечной мерзлоты это происходит, когда оттаивание происходит в пальзах (керны мерзлого торфа) или в литальзах (насыпи с минеральными кернами). Деградация вечной мерзлоты обычно связана с поверхностным возмущением, естественным или искусственным, в сочетании с местными факторами, такими как содержание льда в вечной мерзлоте, температура грунта и т. Д.
Развитие / расширение
Развитие талых озер поначалу имеет тенденцию быть медленным, но как только средняя температура дна озера превышает 0 ° C, озеро перестает замерзать до дна, и таяние становится непрерывным. Озеро растет по мере таяния льда, что может привести к оползанию береговой линии или затоплению растительности, поэтому талые озера в северных лесах обычно окружены « пьяными деревьями ». Следует уточнить, что «пьяные деревья» (также известные как пьяные леса ) встречаются в режимах Едомы. Эта особенность присутствует не во всех термокарстовых регионах. При расширении на этой стадии термокарстовые озера часто принимают удлиненную форму с упорядоченным выравниванием по длинной оси.
Если озера образуются в зоне вечной мерзлоты, богатой льдом, может произойти слияние нескольких озер меньшего размера, в результате чего образуется более крупный водоем, что усиливает тепловые возмущения. Развитию может дополнительно способствовать боковая эрозия берегов. Кроме того, термическое истирание кромок термокарстовых озер может увеличивать размер озера, а также опускать дно озера.
Дренаж
До полного осушения края озера отступают из-за оползания регрессивных оттепелей и субаэральных селевых потоков. Фактический дренаж может быть вызван речной эрозией или расширением прилегающих бассейнов во внутренних районах. В прибрежных районах дренаж может происходить из-за отступления берегов, что приводит к термическому абразивному износу или эрозии из-за воздействия волн. Более постепенный дренаж (частичный или полный) может быть вызван местной деградацией и эрозией вечной мерзлоты. Озера перестают расти, как только начинается дренаж, и в конечном итоге впадины заполняются отложениями, водными растениями или торфом. Другой вариант судьбы осушенного талого озера заключается в том, что активный слой, окружающий озеро, углубляется до уровня ниже уровня воды после истощения грунтового льда, позволяя остаться остаточному озеру.
Галерея
Возникновение и распространение термокарстовых озер на территории Якутии
Статья просмотрена: 10766 раз
Библиографическое описание:
Балаценко, М. И. Возникновение и распространение термокарстовых озер на территории Якутии / М. И. Балаценко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2012. — № 9 (44). — С. 79-82. — URL: https://moluch.ru/archive/44/5202/ (дата обращения: 29.12.2021).
Территория Якутии располагается в области распространения многолетнемерзлых горных пород, около 90% территории (2,8 млн. км²) находится в пределах сплошной мерзлой зоне. Регион расположен в глубине материка, что является препятствием для поступления воздушных масс с востока и юга, с запада прикрыт горными массивами Среднесибирского плоскогорья и только с северной части проникают холодные воздушные массы с Арктики, что обуславливает формирование резко-континентального климата.
Термокарстом(термическим карстом) называют геологический процесс и соответствующие ему явление, выражающиеся в образовании просадочных и провальных форм рельефа, вследствие вытаивания подземных льдов [12,13]. Формы проявления термокарста разнообразны и столь многочисленны, что термокарст во многих районах территории с толщами мерзлых пород (ТМП) является основным физико – геологическим процессом [15].
Исследованием термокарстав разное время занимались ряд ученых такие как, Арэ Ф.Э. [1], Качурин С.П. [5],Соловьев П.А. [12,13], Шур Ю.Л.[15,16], Кудрявцев В.А. [7] и др. Условие возникновение термокарста можно сформулировать следующим образом: термокарст начинает образовываться в том случае, если в силу тех или иных причин происходит таяние льда или оттаивание сильно льдистого грунта, находящихся до этого в многолетнемерзлом состоянии. Обычно это происходит на некотором ограниченном участке.
Математически это условие можно записать в виде:
где S от – область оттаивания;
S лммг – область льда или сильно льдистого грунта в многлетнемерзлой толще.
В настоящее время принята следующая форма записи условия возникновения термокарста:
где h от – глубина оттаивания;
h л – глубина залегания верхней поверхности льда или сильно льдистого грунта.
В самой широкой трактовке условия (1) и (2) эквивалентны, если оттаивание происходит с поверхности грунта. Однако обычно условие (2) подменяется условием:
h от +Δ h от > h л (3)
Δ h от – приращение глубины сезонного оттаивания.
Условие этой формуле гласит, что термокарст формируется в результате увеличения глубины сезонного оттаивания. Рассмотренные условия отражают лишь одну сторону явления – процесс оттаивания льда в грунте. Их необходимо дополнить условием уменьшения объема грунта при его оттаивании:
Если рассматриваются термокарстовые образования, связанные с оттаиванием больших объемов льда при сохранении вмещающего лед грунта в мерзлом состоянии, то V т =0. Условия (1) и (4) объясняют сам факт возникновения и развития явления независимо от того, какими причинами оно вызвано [15].
Причины возникновения термокарста (обобщение современных представлений)
Если изменение климата принимаются за основную причину возникновения термокарста, то первым из них называется периодическое потепление климата. Однако при всей очевидности этой причины многие факторы свидетельствуют против ее принятия [16].
Термокарстовые озера – наиболее яркоеморфологическое и гидрологическое проявление термокарста. Интерес к термокарстовым озерам вызывается особенностями из возникновения и развития, возможностью их использования и затруднениями в освоении территории, которые они вызывают. В отличие от озер вне области с многолетнемерзлыми породами, обычно давно прошедшими стадию своего развития, термокарстовые озера увеличиваются по площади со скоростями переформирования берегов, измеряемыми зачастую метрами и десятками метров в год [15].В Западной Сибири термокарстовых озер используют в качестве индикаторов потепления климата [6].
Озера термокарстового происхождения распространены на рассматриваемой территории почти повсеместно (занимают примерно 80%). Большая часть сконцентрирована на территории Центральной Якутии и на северной части рассматриваемого региона. В основном встречаются на покровных отложениях древних выровненных денудационных равнин и плато, сложенных мезозойскими осадочными породами, на покровах современных денудационных равнин и плато с теми же мезозойскими породами, а также на средних и высоких террасах крупных рек Центральной Якутии.
Озерные котловины могут возникать при любых рельефообразующих процессах, в связи, с чем генетическая классификация их основывается на геоморфологических признаках. Котловина может представлять собой или простую впадину, или сложную, включающую несколько впадин и возвышений дна [2].
В Центральной Якутии термокарстовые озера распространены в аласных котловинах. Аласы – это интразональные ландшафты криолитозоны со своеобразными почвами и луговой растительностью, микроклиматом и животным миром. Они представляют собой динамичную систему, тесно связанную с динамикой климата. Интенсивность изменения уровня в аласных озерах обратно пропорциональна амплитуде температуры воздуха в летний период. В засушливые годы испарения с поверхности аласных озер уносит воды в 2-10 раз больше, чем выпадает в виде жидких осадков. Результаты многолетних исследований геокриологов обобщены в фундаментальной монографии П.А.Соловьева «Криолитозона северной части Лено-Амгинского междуречья» [1959], «Аласный рельеф Центральной Якутии и его происхождение» [1962], в коллективном труде «Строение и абсолютная геохронология аласных отложений Центральной Якутии» [1979] и в монографиях М.С.Иванова «Криогенное строение четвертичных отложений Лено-Алданской впадины» [1984], Н.П.Босиков «Эволюция аласов Центральной Якутии» [1991]. В перечисленных работах аласные ландшафты рассматриваются как природный уникум, связанный с историей развития мерзлотных форм рельефа в условиях повсеместного распространения многолетнемерзлых влагонасыщенных пород и их деградации.
Будучи замкнутыми или полузамкнутыми термокарстовыми котловинами, аласы в своем развитии сильно зависят от наличия подземных льдов. Зрелая стадия развития наступает в пору полного их вытаивания. При дальнейшем развитии, проходя ряд стадий, они превращаются в сухие или с остаточным озерком котловины, с характерным только их комплексом таких фаций, как остаточные озера, булгунняхи, разнотравно – злаковые луга на болотных почвах и т.д. Определяющим фактором превращения термокарстовых озер в аласы является засушливый климат территории. Отсутствие у аласных озер поверхностного стока делает их зависимыми от годовых и многолетних изменений количества осадков и величины испарения.
Развитие аласов Центральной Якутии имеет ритмический характер. Выделяется многовековой ритм, обусловленный изменчивостью общей увлажненности больших территорий. В нем прослеживаются вековые и внутривековые колебания, из которых наиболее заметны следы в развитии аласных котловин оставляют 150-180-летние ритмы. В этом ритме происходит полный цикл по схеме обводнение – усыхание. Последнее высокое стояние воды в аласных озерах происходило с 20-х годов XIX в. до начала XX в. В это время процессы расширения и слияния аласных котловин получили широкое развитие. Следующее массовое их обводнение и связанное с ним оживление термокарстовых и термоабразионных процессов прогнозируется на 80-е годы текущего столетия, что подтверждается обстановкой последних лет [11].
Особенности возникновения и развития термокарстовых озер на территории Яно-Индигирской низменности, Н.И. Мухин (1974) выделяет шесть стадий, которые немного отличаются от озер, расположенных в Центральной части Якутии. Но здесь в основном влияет климатический фактор. Поскольку при суровых климатических и геокриологических условиях основной причиной, приводящей к возникновению термокарста, является воздействие воды, скапливающейся и застаивающейся в небольших понижениях рельефа, то естественно предположить, что климат влияет на возникновение термокарста главным образом через степень увлажненности территории. Следовательно, климат влияет на возникновение термокарста через степень увлажненности территории [6].
Коэффициент корреляции между площадью и объемом озер расположенных по всей территории, имеют достаточно тесную связь (рис.1), это говорит о том, что котловины термокарстовых озер очень схожие. Установленные связи между площадями озер и их объемами оказываются достаточно тесными, что свидетельствуют рассчитанные результаты корреляции (рис.1) [10].
Арэ Ф.Э.Температурный режим озер Центральной Якутии в весенний период // Вопросы географии Якутии. – Л.:Гидрометеоиздат, 1973.
Богословский Б.Б. Основы гидрологии суши. Ленинград, 1974.
БосиковН.П. «Эволюция аласов Центральной Якутии», Якутск, 1991.
Иванов М.С. Криогенное строение четвертичных отложений Лено – Алданской впадины. – Новосибирск: Наука, 1984. – 125с.
Качурин С.П. Термокарстна,территории СССР. М.Изд-во АН СССР, 1961.
Кирпотин С.Н., Полищук Ю.М., Брыксина Н.А. Динамика площадей термокарстовых озер в сплошной и прерывистой криолитозонах Западной Сибири в Условиях глобального потепления// Вестник Томского Государственного Университета. Томск, №311, 2008.
Кудрявцев В.А. О термокарсте // Вопросы физической географии полярных стран, вып. 1. Изд. географического ф-та МГУ, 1959.
Мостахов С.Е. Озерность бассейна р.Лены// Озера криолитозоны Сибири.- Новосибирск: Наука, 1974.
Мухин Н.И. Особенности возникновения и развития термокарстовых озер на территории Яно-Индигирской низменности//Озера криолитозоны Сибири.- Новосибирск: Наука, 1974.
Нестерева М.И. Пространственные особенности строения разнотипных озерных котловин на территории Якутии. Общество. Среда. Развитие. – СПб., 2011 – 227с.
Саввинов Д.Д., Миронова С.И., Босиков Н.П. и др. // Аласныеэкосиситемы: Структура, функционирование, динамика– Новосибирск: Наука, 2005. – 264с.
Соловьев П.А.Криолитозона северной части Лено – Амгинского междуречья. – М.: Изд-во АН СССР, 1959. – 144с.
Соловьев П.А.Аласный рельеф Центральной Якутии и его происхождение//Многолетнемерзлые породы и сопутствующие им явление на территории Якутской АССР. – М: Изд-во АН СССР, 1962.
Сумгин М.И., Качурин С.П. и др. Общее мерзлотоведение. – М., 1940 – 347с.
Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск, Наука, 1988, 211 с.
Термокарстовые озера как образуются
Термин «термокарст» введён в обращение в 1932 г. М.М. Ермолаевым, проводившим исследования на Большом Ляховском острове.
Термокарст – криогенный физико-механический (термический) процесс, представляющий «неравномерное проседание почв и подстилающих горных пород» [1, с. 1525], связанный (по исследованиям С.П. Качурина в 1961 г.) с вытаиванием подземных льдов самого различного генезиса (инъекционных, полигонально-жильных, льдов грунтовых наледей и других) и образованием над возникающими пустотами провальных и просадочных форм.
Термокарстовому воздействию подвержены низменные пространства российского сектора Арктики (Север Европейской России, Западная Сибирь, Восточная Сибирь, Центральная Якутия, Дальний Восток – [2–4]); американского (Аляска) и канадского Севера [5].
Рис. 1. Термокарстовый провал – кратер Батагайка (Республика Саха; около 100 м в глубину и один километр в длину, по краям оползни; образовался после сведения леса в 1960-х гг., приведшего к наводнению; увеличивается каждый день, из-за таяния вечной мерзлоты) [6]
Рис. 2. Термокарстовые ландшафты Аляски [6]
Цели и задачи: рассмотреть различное проявление термокарста и его специфику в различных пространственно-временных обстановках: северных территорий российского и американского секторов Арктики (в обзорном плане) и направленно выделяемых (в подробном формате) юга Средней Сибири и Дальнего Востока. В этом проявляется и его региональная новизна.
Методы исследования: сравнительно-географический, геофизический, информационный. Эти использованные нами методы находятся в ряде сквозных направлений (методов) изучения комплексной физико-географической оболочки (КФГО), разработанных еще в 1973 г. академиком К.К. Марковым с соавторами.
Результаты исследования и их обсуждение
Использованы фондовые (без указания источников) и опубликованные материалы, а также сведения натурных исследований автора в различных районах Севера России и американцев на Аляске. Кроме того, особенно предметно-тематические материалы наблюдений автора в Сибири и Дальнем Востоке (на Средне-Сибирском плоскогорье – в бассейнах рек Иркут, Чадобца, Подкаменной Тунгуски; в верховьях р. Лены; на Чукотке – в бассейнах рек Канчалан, Танюрер, Белой, Амгуэмы и пространствах Анадырской низменности; в Приохотье – в прибрежных районах Удской и Пенжинской губы и г. Охотска; в Приамурье – в районах хр. Ям-Алинь, хр. Джугджур, низовий р. Амур и зал. Николаева; в Приморье – в районах хр. Сихотэ-Алинь и севера Приханкайской низменности).
Термокарст по своей ландшафтопреобразующей специфике, как явление и процесс деградации геосистем, отличается постоянной региональной актуальностью (из-за негативного воздействия на хозяйственные объекты) и неповторимостью локальной новизны.
История развития термокарста всегда рассматривается в связи с историей развития вечномерзлых горных пород, от которых этот процесс неотделим. В частности, территориальное проявление термокарста на местности наиболее полно увязывается с распространением вечной мерзлоты, иллюстрируемым схематической картой (рис. 3).
Рис. 3. Схематическая карта распространения вечной мерзлоты (по И.Я. Баранову, с дополнениями автора)
Современная криолитозона (по материалам И.П. Герасимова и К.К. Маркова, И.Я. Баранова и А.И. Попова, А.А. Величко и Н.Н. Романовского и др.) сформировалась в кайнозойскую ледниковую эру, когда во второй половине третичного периода началось глобальное похолодание климата.
Динамика термокарста в пространственно-временном плане испытывала и испытывает в Арктике существенные колебания: в 1970–1980 гг. его интенсивность в соответствии с глобальным потеплением достигла пика, а в последующие годы (по исследованиям Н.В. Ловелиуса и А.Ю. Ретеюма) начала снижаться одновременно с замедлением и снижением потепления [7]. Так, «по аналогии с событиями двух закончившихся циклов солнечной активности можно заключить, что сохранение высоких темпов потепления Арктики в обозримой перспективе маловероятно» [7, с. 129]. С этим совпадают и выводы международных экспертов [8].
Всесторонний учет системообразующих свойств термокарста является весьма актуальным при освоении территории (особенно в районах разработки нефтегазовых месторождений и строительства нефтегазопроводов, сопровождающихся искусственным изменением гидрологической сети и непосредственным тепловым воздействием технических сооружений). Развитие термокарста хорошо иллюстрируется распространением и динамикой термокарстовых озер.
Причинами возникновения термокарста могут быть: глобальные факторы (общее потепление климата); континентальные (усиление континентальности, летней); региональные (изменения теплового режима грунта естественными процессами – эрозией, пожарами и т.д.) и локальные (естественные – морозобойное растрескивание деятельных поверхностей, точечное обводнение и заболачивание; антропогенные – вырубка леса, вспашка, пожары; техногенные – строительство гражданских и промышленных объектов). При этом велика роль тектонических процессов в развитии термокарста: а) опускания могут вызвать его активизацию из-за обводнения поверхности; б) они могут быть причиной его затухания из-за дренажа территории.
Во всех этих случаях вытаивание льдов и оттаивание вечно- и сезонномерзлого грунта связано с наступающим повышением среднегодовых температур в подошве слоя годовых колебаний (до 0 °С). Типичные формы термокарста – поверхностные оседания (западины, блюдца, многоугольные сети ложбин по морозобойным трещинам, аласы, байджерахи, озерные котловины); подповерхностные провалы. Развитие термокарста, как правило, сочетается (в комплексе или по отдельности – с плоскостным и подпочвенным смывом, солифлюкцией, эрозией, абразией). Нарушения динамического равновесия в водном и тепловом режиме деятельной поверхности могут вызвать термокарстовые явления и на территории стабильной и аградирующей вечной мерзлоты. Причиной этого, прежде всего, может явиться антропогенная деятельность, при которой минимизация негативных эффектов обеспечивается направленным сохранением вечномерзлых пород (их затенением, перекрытием торфяным горизонтом, применением активного дренажа).
Хотя термокарст относительно хорошо изучен, в его механизме и региональных чертах проявления имеются многие еще невыясненные детали и разночтения
Выявлены существенные и разнонаправленные изменения термокарстовых озер с 1950–1970-х гг., что связывается с активизацией термокарстовых процессов, якобы из-за потепления климата: сокращение количества и площади озер на Аляске до 50 % – в зоне прерывистой вечной мерзлоты (по данным американских авторов – Fitzgerald, Riordan в 2003 г.; Riordan et al. в 2006 г.); в Западной Сибири в зоне сплошной вечной мерзлоты – увеличение отмеченных показателей до 12 % [9]; двукратное увеличении площади озер в Центральной Якутии [10]. Отметим, что по одним и тем же районам (в частности, по Западной Сибири) результаты существенно разнятся [11, 12]), что очевидно объясняется различными методическими подходами. Для «снятия» этих разночтений была разработана специальная методика, для чего были использованы космические снимки со спутника Landsat [2, 13, 14)].
Выбор эталонного района исследований был определен по характеру распространения термокарстовых озер на территории России (рис. 4, [2]) и уточнен по отличающимся данным (рис. 5) [10]. Заметим, что вопрос о вероятном влиянии современного потепления климата, несмотря на ряд утверждающих исследований [9] на активизацию термокарста, до конца не выяснен. Поэтому при выборе района исследований В.И. Кравцова и Т.В Родионова [2, 15] использовали карты метеогеокриологического риска криолитозоны России [16].
Рис. 4. Распространение термокарстовых озер на территории России [6]. Условные обозначения – Преобладающие размеры озер: 1 – малые; 2 – средние. Сочетания озер разных размеров: 3 – малые и средние; 4 – малые и большие; 5 – малые и крупные; 6 – средние и большие; 7 – средние и крупные. Диаметр озер (км): малых – 0,1–0,5, средних – 0,5–1,5, больших – 1,5–3,0, крупных – 3–6
Рис. 5. Схема районов распространения термокарстовых озер на территории России [10]: 1 – малых озер; 2 – малых и средних озер; 3 – средних и крупных озер. Границы: 4 – южная граница криолитозоны [10]
В области «высокого метеогеокриологического риска попадают север Западной Сибири, Север европейской части Росси и Чукотка, а в области слабого метеогеокриологического риска – дельта р. Лены, Северная Якутия…» [16, с. 83]. Кроме этого, были учтены результаты ранних исследований, показавших неодинаковое протекание термокарста в разных регионах, а в других – неодинаковые результаты для одного и того же района. Так, в частности, в Западной Сибири происходило увеличение площади озер в зоне сплошного развития вечной мерзлоты [9], а в других районах этого же региона – их уменьшение. При этом, изменяющиеся обстановки в Западной Сибири не связаны с современным потеплением климата [9].
Таким образом, глубинное проявление механизмов термокарста находится, вероятно, в соответствии с меняющимися величинами метеогеокриологического риска.
Выполнены многочисленные исследования динамики термокарстовых озер, охватывающие области как сплошного, так и прерывистого распространения многолетнемерзлых пород в пределах Аляски [5] и криолитозоны Евразии – Севера Европейской части России [17], Западной Сибири [11], Восточной Сибири [18], Центральной и Северной Якутии [19, 20] и России в целом [10].
Исследования в разных частях криолитозоны показывают, что в зоне сплошного распространения мерзлоты отмечается относительная стабильность термокарстовых озер. Однако в отдельных районах отмечается увеличение площади озер (на территории Западной Сибири [9] и Центральной Якутии [10]), которое авторы связывают с активизацией термокарстового процесса под влиянием потепления климата из-за увеличения выбросов углекислого газа, содержащегося в вечной мерзлоте, на 125–190 % – по сравнению с теми количествами диоксида углерода, что высвобождаются при постепенном таянии [21]. В зоне прерывистого распространения мерзлоты большинство исследователей отмечают сокращение площади озер, что связывается с просачиванием воды в оттаявший грунт и с испарением воды из озер.
Отмеченная картина в снижении количества термокарстовых озер хорошо согласуется с наблюдаемой ситуацией начавшегося общего глобального похолодания климата, фиксируемого международными экспертами и подтверждаемой материалами региональных исследований автора [8, 22].
В итоге динамические характеристики озер не являются индикатором влияния потепления климата на криолитозону, так как его влияние однозначно не выделяется.
Ниже, на основе авторских тематических материалов, подробно рассматриваются особенности термокарстового фона (в статике и динамике) основных заявленных регионов (Средней Сибири, Чукотки и Приморья) в естественных и антропогенных обстановках.
В пределах таежного юга Средней и Восточной Сибири формы рельефа, обязанные своим происхождением термокарсту, встречаются относительно редко, но равномерно на всех геоморфологических уровнях и при общем знакомстве с территорией создают ложное впечатление о ведущей роли термокарста среди мерзлотных факторов рельефообразования. Так, на основании исследований Ф.Н. Лещикова, Н.Е. Зарубина и Н.Н. Романовского еще недавно делались далеко идущие выводы о продолжающейся здесь деградации вечной мерзлоты. В действительности, как показывают наши исследования, на рассматриваемой территории преимущественно островного развития вечной мерзлоты (рис. 1) ее направленного сокращения в настоящее время не происходит [23].
Термокарст, по данным А.И. Попова, представляет лишь часть очень сложного природного процесса, связанного с увеличением мощности деятельного слоя и включением в него сильно льдистых грунтов или ископаемого льда.
Для юга Средней и Восточной Сибири в современный период нехарактерно направленное изменение климата ни в сторону потепления, ни в сторону похолодания. Следовательно, современное активное протекание термокарста на отдельных участках следует связывать с местными изменениями физико-географических условий, т.е. с частными, а не с общими причинами. К ним можно отнести: а) существенное нарушение или полное уничтожение растительного покрова, в общегодовом выводе оказывающего охлаждающее влияние на грунты; б) следующее за этим возникновение различного рода трещин (морозобойных, динамических и др.), приводящих к площадному или локальному увеличению зоны активного теплообмена между земной поверхностью и атмосферой; в) хозяйственное освоение территории, связанное с ее распашкой, проведением дорог и т.д. При этом наибольшее значение имеют охватывающие большие площади лесные пожары – не столько из-за непосредственного теплового воздействия, как указывал еще в 1939 г. В.Ф. Тумель, сколько из-за возникновения новых деятельных поверхностей с другим теплообменом. На гарях, по наблюдениям автора, геотермический уровень теплообмена повышается, что находит свое выражение в увеличении среднегодовых температур грунтов и увеличении мощности деятельного слоя. Следовательно, происходит антропогенная активизация термокарста.
Рост термокарстовых просадок всегда сопровождается изменением внешних местных физико-географических условий (повышенным накоплением снега, дополнительным увлажнением грунтов в пределах просадок, а часто и возникновением в них озер и т.д.).
На юге Средней Сибири среди «островных» высокотемпературных (около 0 °С) вечномерзлых пород максимальной льдистостью характеризуются четвертичные отложения, преимущественно на низких уровнях в речных долинах. В пределах южной тайги – это поймы, 1 и 11 надпойменные террасы рек, верховья долин, нижние части склонов (на юге – северной экспозиции, а на севере – южной); в пределах средней тайги – заторфованные и заболоченные выровненные водораздельные пространства. Наибольшая выраженность термокарстовых просадок в последнем случае чаще и отмечается.
В современный период термокарст на юге Средней Сибири связан как с вытаиванием льда в деятельном слое и формированием мелких форм, так и с процессами в вечномерзлых толщах, когда возникают просадки значительных размеров и различных очертаний в плане. Так, в первом случае – на месте сезонных бугров пучения возникают блюдцеобразные понижения и реже кратеровидные воронки (размеры не превышают 1–2 м); во втором – в пределах речных террас часто формируются отдельные термокарстовые озера, поперечные размеры которых достигают 30–50 м, а глубины до 1,5 м. При этом если вытаивание миграционных и сегрегационных льдов приводит к появлению отдельных неправильных очертаний просадок, то разрушение сетки полигонально-жильных льдов обусловливает возникновение закономерно построенных, полигональных в плане, образований. Заметим, что на морфологию термокарста существенный отпечаток накладывает также эрозия, карст и т.д. Так, сочетание термокарстовых и карстовых процессов, что наиболее часто в нашем регионе отмечается в условиях Верхоленья, обусловливает формирование просадочных форм рельефа сложного генезиса. Здесь, по наблюдениям автора, поверхностные термокарстовые формы переходят в глубинные карстовые.
Специфическое проявление термокарста на юге Средней Сибири представлено озерно-термокарстовыми процессами. Последние отмечаются в пределах древних озерных котловин (верховья рек Чулы и Ханды) и на низких террасовых уровнях в верховьях рек Непы, Нижней Тунгуски и Катанги. Эти местности сложены мерзлыми озерно-аллювиальными илами, тяжелыми суглинками и глинами, перекрытыми с поверхности 1,5–7-метровым слоем торфа различной степени разложения и минерализации. Внешне они представляют собой плоско- или выпукло-бугристые торфяники: от речных русел отделены береговыми валами; характеризуются незначительной мощностью деятельного слоя (0,3–0,8 м); имеют типичный лесотундровый облик с разреженной и угнетенной растительностью. Талые и дождевые воды, из-за плохих условий стока в соседние реки, задерживаются здесь на длительное время и образуют в понижениях мелкие озерца. Значительный приток солнечного тепла в весенне-летнее время аккумулируется водными массами и служит главной причиной начала термокарста.
Развитие термокарста здесь протекает не только в глубину, но и активно распространяется в стороны. Постепенно отдельные округлые воронки проседания, возникшие в процессе протаивания выпуклобугристых торфяников, соединяются между собой или с межбугровыми впадинами, а в пределах плоскобугристых торфяников – объединяются с просадками вдоль былых ледяных жил. В результате формируются обширные термокарстовые озера (до 150–200 м в поперечнике; слой воды до 3,5 м; над ними превышения торфяников до 1,5 м).
Особо следует отметить, что с продвижением от русел рек в сторону коренных склонов глубины таких «блуждающих» озер увеличиваются, постепенно исчезают необводненные котловины, а признаки «блуждания» озер становятся более явственными. В результате поверхность торфяников приобретает уклон в сторону коренного склона речной долины, что благоприятствует застаиванию талых и дождевых вод, вызывающих дальнейшую интенсификацию термокарста. Из-за соединения многочисленных термокарстовых озер под коренным склоном долин (например, в районе зимовья Мироновского, между устьями рек Хаил и Кумакагня) формируются широкие (20–60 м) и длинные (до 400–500 м) ложбины, обычно заполненные водой и характеризующиеся в плане самыми прихотливыми очертаниями. В отдельных случаях эти ложбины по своей конфигурации напоминают старицы, что необходимо учитывать при камеральном дешифрировании аэрофотоснимков.
Морфогенетический эффект термокарста на юге Средней Сибири не ограничивается формированием только отдельных микроформ рельефа или площадей проседания. Возникновение последних в днищах речных долин, что обычно происходит после лесных пожаров или объемных рубок леса, а в особых условиях является результатом озерно-термокарстового процесса, приводит к локальному снижению базиса денудации конкретных склонов. Такие геосистемные нарушения вызывают активизацию склоновых процессов и, следовательно, приводят к интенсивной переработке склоновых поверхностей.
В соответствии с зональными особенностями мерзлотно-природной обстановки таежного юга Средней и Восточной Сибири находится и морфогенетический эффект термокарста: он увеличивается по региону с юго-запада на северо-восток, по направлению общего увеличения площадей вечной мерзлоты. Именно в этом направлении увеличиваются общее количество и размеры отдельных просадок, чаще отмечаются площади проседания и повышается роль озерно-термокарстового процесса в преобразовании общего рельефа.
В целом для всего региона рельефообразующая роль термокарста, по сравнению с морозобойным трещинообразованием и мерзлотным крипом, в естественных условиях все же невелика. В ходе интенсивного хозяйственного освоения территории термокарстовые явления становятся здесь все более и более характерными. Следовательно, удельный вес термокарста в общем преобразовании поверхности осваиваемых районов с редкоостровной вечной мерзлотой все время антропогенно направленно возрастает.
Чукотка – особый край вечной мерзлоты (подземного оледенения), выделяющийся среди других северных территорий ярким своеобразием и неповторимостью полярных ландшафтов. К этим отличительным особенностям относятся:
а) противоречивое соседство и контрастное чередование талых и мерзлых пород (рис. 3; [24]);
б) широчайший спектр мощностей (от 0 до 700 и более метров) и среднегодовых температур (от 0 °С до минус 11 °С и ниже) вечномерзлых грунтов [25];
в) высокие тренды увеличения температуры воздуха, из-за чего район Чукотки попадает в область высокого метеогеокриологического риска [14];
г) полный набор криогенных процессов и явлений в организации восходящего и нисходящего развития вечной мерзлоты [24, 25].
Термокарстовые явления (округлые западины, котловины и озерные ванны; линейные, линейно-коленчатые и полигональные формы проседания; и другие), являясь типичными для территории Чукотки, экстремального проявления достигают только в редкие аномально теплые и дождливые годы (рис. 6 и 7). В эти периоды на участках близкого залегания к дневной поверхности залежей подземных льдов активизируются площадные просадки, а на склонах – процессы оврагообразования [24].
Во многих местах, по исследованиям в 1970 г. С.В. Томирдиаро, зафиксированы следы передвижения озер, оставляющие за собой ровные открытые площадки, сложенные с поверхности илистыми отложениями (5–15 см), а глубже – горизонтами уплотненного заиленного торфяника (с глубины 0,6–1,0 м в мерзлом состоянии). Вслед за «уходом» термокарстового озера в сторону или его обмелением и дальнейшим высыханием здесь на открытых участках опять формируется вечная мерзлота.
Термокарстовые озера (в том числе и «блуждающие») встречаются локально и приурочены главным образом к долинам рек. Наиболее широко они распространены лишь в пределах Анадырской низменности и на побережье залива Креста. На остальных береговых участках морей термокарстовые озера сосредоточены на узких полосах прибрежных равнин и в устьевых расширениях речных долин, где обычно развивается достаточно густая сеть очень небольших (0,1–0,3 км) озер. Количество и размеры термокарстовых озер год от года испытывают разнонаправленные колебания. Последние прослежены на эталонных участках – 1) на северном побережье Пенжинской губы и на побережье Удской губы Охотского моря (снимки 1973 и 2001 гг.); 2) Яно-Индигирской низменности вдоль южного побережья моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря (снимки 1972 и 2000 гг.). При сравнении разновременных снимков первого участка изменений в характеристиках озер не обнаружено, а для второго – обнаружено увеличение площади многих из существовавших озер и массовое появление новых малых (0,1–0,2 км) озер [10].
Рис. 6. Термокарстовые деформации нижней части склона в окрестностях п. Лаврентия. Фото А.А. Галанина
Рис. 7. Термоабразия берега Берингова моря в районе п. Лаврентия. Фото (с тыльной стороны) А.А. Галанина
Фоновая направленность развития вечной мерзлоты уже в ближайшее время может существенно измениться. Начавшееся общее похолодание оконтуривает отдельные геоэкологические риски (из-за усиления морозобойного трещинообрзования в направлении разрушения отдельных геосистем), а с другой стороны – снижает естественную интенсивность термокарста.
Тем не менее картина антропогенно обостряется (например, по нашим наблюдениям в 1972–1973 г.г. в р-не п. Канчалан), из-за нарушений теплового баланса деятельных поверхностей, вызывая локальное разрушение геосистем с возникновением борозд-рвов (до 1 м), оврагов (до 2 м) и других отрицательных форм.
Все изменения теплового баланса атмосферы-литосферы, вызываемые хозяйственной деятельностью человека на Чукотке, происходят в следующих направлениях:
а) в изменении на больших площадях вещественного состава почвогрунтов (возведение насыпей, дамб, плотин; распашка задернованных участков и лугов, снятие дерна; разработка полезных ископаемых открытым способом и т.д.);
б) в нарушении приходо-расходных частей теплового баланса территории (вырубка лесов и удаление снега, затенение или планация земной поверхности, спуск озер или устройство водохранилищ и т.д.);
в) в создании искусственных источников тепла (сооружение отапливаемых зданий и теплоцентралей, спуск теплых промышленно-бытовых вод, устройство палов и т.д.).
Хозяйственная деятельность человека в целом приводит к изменению мощности и среднегодовых температур вечномерзлых толщ. Так, до постройки Анадырского водохранилища в среднем течении р. Казачка указанные температуры в подошве слоя годовых колебаний были равны в среднем минус 4 °С. Последующие изменения этих температур в 1971 г. зафиксировали их значения в отдельных точках как 0 °С, а температуры донных отложений составляли плюс 4 °С. Одновременно с изменением отмеченных температур «прошли» термокарстовые процессы и возникли различные просадки грунтов.
Вмешательство человека в естественную природную обстановку чаще проявляется в нарушениях растительного покрова – этого наиболее динамичного природного фактора. Именно с такого рода нарушениями наиболее тесно связана активизация термокарстовых процессов. Пирогенные воздействия, в частности, на вечную мерзлоту, опосредствованные через уничтожение растительности, являются разноплановыми, но по своему эффекту занимают одно из важных мест в этом аспекте. Так, выгорание даже одного кустарникового и травянисто-кустарникового покрова приводит в общегодовом выводе к усилению жесткости температурных условий в почво-грунтах и формированию более низких температур вечномерзлых толщ, а в теплый период года – служит толчком к активизации оплывинно-солифлюкционных движений грунта на склонах и к началу интенсивного термокарста в пределах скопления ледяных включений в грунтах различных местоположений и т.д. [24].
Строительство жилых поселков в пределах северных аллювиальных равнин, сложенных очень льдистыми грунтами, сопряжено с большими трудностями. Связано это с активизацией многих мерзлотных процессов (в первую очередь термокарстовых), протекающих с особой быстротой и осложняющих строительство и эксплуатацию сооружений. Так, под поселок Канчалан был выбран участок в пределах 1 и 2-й надпойменных террас в среднем течении р. Канчалан, где оказались широко развитые мощные и неглубоко залегающие к дневной поверхности полигонально-жильные льды. Снятие и (или) уплотнение дерново-мохового и снежного покрова, осушение и (или) обводнение грунтов, планация земной поверхности, а в некоторых случаях даже вскрытие и выведение на поверхность подземных льдов, в ходе строительства и эксплуатации жилых и служебных зданий, привело к резкой перестройке естественного гидротермического фона почвогрунтов. Это послужило причиной интенсивного вытаивания полигонально-жильных льдов. В результате сформировался бугристо-западинный рельеф, возникли термокарстовые просадки и овраги и оплывинно-солифлюкционные трансформации, что привело к разрушению многих зданий и дорог.
Устройство временных дорог в равнинной тундре приводит к механическому разрушению травяно-мохового покрова, который десятилетиями не восстанавливается. Так, по наблюдениям автора в 1972 г. в долине р. Танюрер, на поверхности закочкаренных террас были отмечены единичные 15-летней давности глубокие (до 15–20 см) колеи тракторов и вездеходов. Эти колеи в ряде мест явились путями концентрированного стока дождевых и талых вод, что в конечном счете привело и к образованию оврагов. Превращение отдельной колеи в овраг происходит очень быстро. Так, по наблюдениям Н.А. Граве и И.А. Некрасова в 1961 г. в районе пос. Шахтерский (вблизи г. Анадыря), возникновение оврага на месте гусеничной колеи трактора произошло в течение 5 лет. В тех случаях, когда колеи, а потом и овраги совпадают в плане с простиранием ледяных жил или морозобойных трещин, процессы линейной эрозии и бурного термокарста протекают особенно активно.
Поскольку колеи-борозды от тракторов и вездеходов большей частью сильно обводнены (влажность грунтов в них часто превышает предел текучести), несущая способность почвогрунтов здесь быстро снижается до минимальных значений. Поэтому временные дороги прокладываются все время на новых местах, по соседству с прежними. В результате вокруг большинства чукотских поселков тундра в настоящее время «распахана» и представляет собой обширные пространства, лишенные растительного покрова, изобилующие рытвинами, водороинами, провалами, оврагами и термокарстовыми озерами самых различных очертаний. Причем во многих местах (например, вокруг поселков м. Шмидта, Певека, Депутатского, Шахтерского и др.) процесссы оврагообразования, термокарста, солифлюкции и морозобойного трещинообразования протекают дальше уже без вмешательства человека.
Спуск теплых промышленно-бытовых вод в ручьи, озера, отдельные замкнутые западины активизирует термокарстовые процессы и приводит к заглублению здесь верхней кровли вечной мерзлоты и увеличению мощности деятельного слоя. По немногочисленным данным бурения и электроразведки в районе поселков Амгуэмы, Шмидта и Шахтерского можно говорить, что по этим причинам за последние десятилетия произошло «точечное» понижение верхней кровли вечной мерзлоты до 5 м, а на поверхности – к термокарстовым просадкам.
Насыпные грунтовые дороги промерзают и служат препятствием со стороны склонов поверхностному и поддерновому стоку. Последний объединяется с термокарстом вдоль дорог, и в результате формируются линейные рытвины и промоины. Так, вдоль насыпной дороги от бывшего аэропорта до пос. Шахтерского, ориентированной поперек склона, с 1964 по 1972 г. образовались овраги глубиной до 3 м.
Таким образом, в ходе хозяйственного освоения территорий активизируются все мерзлотные процессы, при ведущей роли термокарста. В зависимости от формы вмешательтва в природные обстановки, нарастание активности термокарста и других мерзлотных процессов, приводящих к нежелательным последствиям, происходят чаще скачкообразно. Для достижения оптимально-устойчивого развития осваиваемых территорий необходим учет всех описанных явлений для исключения или минимизации их негативных эффектов [24].
Территория расположена на крайнем юге распространения редкоостровной и высокотемпературной (0-0,50С) вечной мерзлоты, где последняя присутствует в основном только в верховьях речных долин и на горных участках хр. Сихотэ-Алинь. В соответствии с таким «возникшим редкоостровным объектным положением» находятся и проявления термокарста. Площади последнего естественно ограничены и в территориальном плане закономерно рассредоточены. Термокарст на местности проявляется в виде различных немногочисленных просадок, мелких котловин и крайне редко – термокарстовых озерков. На месте бугров пучения возникают западины и воронки, чаще заполненные водой, на месте разрушенных многолетних бугров пучения – озера (рис. 8), а в пределах единичных площадей термокарстового проседания формируются участки «пьяного леса» (рис. 9).
Рис. 8. Термокарстовое озеро на террасе в верховьях р. Опасная, на месте разрушенного многолетнего бугра пучения (бассейн р. Самарга, Северный Сихотэ-Алинь). Фото А.М. Короткого
Рис. 9. Площадь термокарстового проседания, возникшая на участке после сильного низового пожара, занятая «пьяным» лесом (урочище Килоу, бассейн р. Бикин). Фото А.М. Короткого
«Снятие» охлаждающего влияния растительного покрова (из-за пожаров или сплошных вырубок; строительства дорог и т.д.) и сопутствующее осушение грунтов приводит к деградации маломощных мерзлых толщ и активизации термокарстовых явлений. Последние в ландшафтогенезе Приморья выступают своеобразными факторными «вкраплениями», играющими заметную, но все же подчиненную роль в организации геосистем.
Заключение
Исследования в разных частях криолитозоны России показывают, что в зоне сплошного распространения мерзлоты отмечается относительная стабильность термокарстовых озер – происходят только незначительные разнонаправленные изменения под влиянием локальных факторов. Однако по данным отдельных исследователей, отмечается увеличение площади озер: на территории Западной Сибири [9] и Центральной Якутии [10]. В зоне прерывистого распространения мерзлоты большинство исследователей отмечают сокращение площади озер под влиянием потепления климата, что связывают чаще с просачиванием воды в оттаявший грунт и с испарением воды из озер. На Чукотке отмечены противоречивые тенденции – в прибрежных районах происходит относительное увеличение площади озер, а в горных районах их уменьшение.
Всесторонний анализ представленных авторских тематических материалов по трем основным регионам свидетельствует, что наиболее полный и значимый системопреобразующий спектр термокарстовых процессов и явлений (от разрушения старых форм до создания новых модификаций) отмечается в современных обстановках Чукотки и носит в целом экстремальный характер. Это объясняется тем, что здесь относительно наибольшие колебания мощностей и среднегодовых температур вечномерзлых толщ, наиболее контрастны переходы температур через 0 °С и, что очень важно – наиболее простые структуры организации ландшафтов. Относительно еще более неустойчивыми территориями в отношении термокарстового воздействия являются прибрежные участки северных морей и соседние низменности. В результате мы сталкиваемся здесь с неповторимостью и новизной активных противоречивых термокарстовых образований.
В других регионах – на Средне-Сибирском плоскогорьи развитие термокарста характеризуется типичными показателями, а в Приморье – пониженными.
При этом в целом, в контексте климатических изменений (потепление – похолодание), протекающие в криолитозоне России термокарстовые процессы имеют широтную и долготную специфику:
а) в западном секторе Арктики озера в зоне сплошной вечной мерзлоты сохраняют стабильность или частично увеличивают свои площади, а в зоне прерывистой вечной мерзлоты, наоборот, сокращают их – по данным космических снимков 1973–2005 гг. [2, 10, 14];
б) в Восточном секторе Арктики (по данным автора на Чукотке и в соответствии с опубликованными источниками [2, 3]) термокарстовые озера, как индикаторы динамики состояния мерзлотных ландшафтов (но не потепления климата), свидетельствуют о начавшемся сокращении их площадей, а в Приохотье и Приморье – увеличивающемся сокращении.
Выбор стратегии рационального природопользования во всех рассмотренных районах должен быть всесторонне «щадящим» – по пространственно-временной нормализации природной среды (созданию и сохранению устойчивой агроэкологической обстановки; применению прогрессивных агротехнических приемов; улучшению условий и охраны труда путем совершенствования эргономических параметров рабочих мест и внедрения организационно-технических мероприятий), учитывающим существующие риски и определяемые ими экологические ограничения.