Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований динамики морских берегов 13
2. Основные черты геологического строения и истории геологического развития в плейстоцене -голоцене 25
2.1. Краткий очерк геологического строения 25
2.2. Влияние неотектонических движений на формирование морских берегов Карского моря 31
2.3. Основные черты истории геологического развития побережья Карского моря в среднем плейстоцене - голоцене 33
3. Особенности геокриологических условий побережья карского моря в условиях меняющегося климата 41
3.1. Распространение и мощность многолетнемерзлых пород 41
3.2. Температура ММП и ее динамика 49
3.3. Глубина сезонного оттаивания и ее динамика 61
3.4. Особенности криогенного строения и льдистости 74
3.5. Подземные льды 92
4. Оценка факторов, влияющих на динамику морских берегов 113
4.1. Активные и пассивные факторы разрушения морских берегов... 113
4.2. Климат 116
4.3. Гидродинамические параметры моря 127
4.4. Физико-геологические факторы 147
5. Динамика морских берегов 157
5.1. Характеристика районов полевых работ 157
5.2. Методика исследований 164
5.3.Современная динамика морских берегов 170
5.3.1. Фактические данные об отступании берегов Карского моря 170
5.3.2 Структура базы данных 175
5.3.3. Морфология подводных склонов и ее связь с геологическим строением и динамикой берегов 177
5.3.4. Закономерности современной динамики морских берегов 190
5.3.5. Динамика берегов и изменения климата 206
5.4. Механизм разрушения берегов 212
5.5. Моделирование и прогноз разрушения морских берегов 222
6. Взаимодействие суши и моря. геоэкологические аспекты 230
6.1. Факторы формирования геоэкологических условий в мелководной прибрежной зоне 230
6.2. Типизация и картографирование морских берегов по геолого-геоморфологическому строению 235
6.3. Структура берегов Карского моря 242
6.4. Растворимые соли и органический углерод в прибрежных отложениях 248
6.5. Баланс материала, поступающего в Карское море при разрушении берегов 261
Выводы 266
Список литературы 270
- Краткий очерк геологического строения
- Распространение и мощность многолетнемерзлых пород
- Особенности криогенного строения и льдистости
- Климат
Введение к работе
Актуальность темы и постановка проблемы. Исследование закономерностей динамики морских берегов Российской Арктики представляет собой актуальную научную и практическую проблему в связи с тем, что прибрежная зона арктических морей является высокодинамичной природной системой, особенности которой определяются взаимодействием океана и суши в условиях криолитозоны. К настоящему времени сравнительно хорошо изучены условия формирования и эволюции континентальной криолитозоны, а так же закономерности процессов на арктическом, шельфе. Прибрежная же зона остается недостаточно изученной как с точки зрения особенностей взаимодействия суши и моря так и с позиций геокриологии и геоэкологии,. В силу особенностей прибрежно-морской зоны арктических морей как сложной системы, ее динамика определяется климатическими, гидродинамическими и геокриологическими факторами. Таким образом, исследование прибрежно-морской зоны и динамики морских берегов должно носить мультидисциплинарный характер.
Динамика морских берегов и взаимодействие моря и суши в криолитозоне непосредственно определяют особенности и закономерности формирования геоэкологических условий прибрежно-морской зоны и в значительной степени влияют на геоэкологию открытого шельфа. Морские берега, наряду с крупными реками, являются важнейшим источником поступления твердого материала, растворимых солей, органического углерода и защемленных газов в прибрежно-морскую зону и шельф и оказывают значительное влияние на условия развития морской биоты.
Одной из важнейших проблем взаимодействия океана и суши в Арктике является выявление тенденций развития как континентальной, так и прибрежно-морской составляющих прибрежно-морской зоны в условиях меняющегося климата.
К настоящему времени сравнительно хорошо изучены отдельные вопросы этой междисциплинарной проблемы. Тем не менее, до сих пор отсутствуют комплексные исследования проблемы, объединяющие различные аспекты в единую систему научных взглядов.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в исследовании динамики морских берегов и прибрежно-морской области в условиях изменения климата и выявлению закономерностей формирования ее геоэкологических условий на примере Карского моря.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить геологическое и геокриологическое строение и особенности реакции криолитозоны прибрежно-морской области на изменения климата
2. Определить и изучить факторы природной среды, влияющие на динамику морских берегов
3. Изучить многолетнюю динамику морских берегов на ключевых участках морского побережья.
4. Изучить основные факторы формирования геоэкологических условий в прибрежно-морской области
5. Изучить структуру морских берегов по геокриологическим и геоморфологическим признакам и особенностям их динамики.
6. Рассчитать баланс и структуру материала, поступающего в прибрежно-морскую зону при разрушении берегов.
Исходные материалы. Работа выполнена в ИКЗ СО РАН в рамках плана фундаментальных исследований СО РАН, программы РАН «Мировой океан», интеграционного проекта «Динамика морских берегов Российской Арктики», других программ РАН. В основу диссертации положены результаты собственных исследований автора, направленные на изучение строения, состава многолетнемерзлых пород, закономерностей геокриологического строения мерзлых толщ, эволюции криогенных толщ морских побережий в условиях меняющегося климата, динамики морских берегов Западного сектора Российской Арктики, факторов и условий формирования геоэкологичеких условий в прибрежно-морской области. Наиболее дательные исследования динамики морских берегов были выполнены в районе Марре-Сале (Западный Ямал). Кроме того, комплексное изучение динамики морских берегов проводилось в районе м. Шпиндлер (Югорский п-ов)- совместно с М.О. Лейбман, м. Болванский (устье р. Печора) - совместно с Г.В. Малковой и М.З. Каневским, районе м. Бурунный- Харасовей (Западный Ямал), Марресальские кошки (Западный Ямал), районе Бованенковского газо-конденсатного месторождения, устья р. Танамы (западное побережье Енисейского залива) и в районе Ямбурга (западное побережье Тазовского п-ова) - совместно с В.А. Совершаевым. Научные положения и выводы диссертации базируются на:
• фактических данных 25-летних наблюдений за динамикой морских берегов на четырех стационарах в Западном секторе Российской Арктики;
• сплошном дешифрировании космических снимков морского побережья;
• непосредственном полевом обследовании более чем 100 км. морских берегов;
• детальном изучении и опробовании около 1400 п.м. керна буровых скважин и более 50 береговых разрезов и обнажений;
• результатах 25-летних наблюдений за динамикой сезонного оттаивания и температуры многолетнемерзлых пород на 20 стационарных площадках;
• интерпретации более чем 400 специальных лабораторных анализов прибрежно-морских отложений;
• анализе ежесуточных данных о гидродинамических параметрах моря за последние 15 лет;
• результатах моделирования и сравнения расчетных и натурных показателей.
При написании работы проанализированы и обобщены литературные, фондовые и метеорологические материалы, посвященные геокриологическим условиям морского побережья Западного сектора Российской Арктики, динамике морских берегов и закономерностям формирования геоэкологических условий прибрежно-морской области.
Научная новизна настоящего исследования заключается в следующем:
1 .Криогенная толща морского побережья охарактеризована как динамичная система, чутко реагирующая на изменения климата. Установлено, что реакция мерзлотных ландшафтов, независимо от их расположения в той или другой природно-климатической зоне, определяется индивидуальными свойствами ландшафтов и количеством поступившего тепла. Выявлены пределы реакции криогенных толщ в типичных (доминантных) ландшафтах прибрежно-морской области на климатические изменения.
Выполнена типизация криогенных толщ по особенностям геокриологического строения. Установлено, что в прибрежно-морских разрезах одновременно могут присутствовать пластовые льды разных генераций.
2. Показано, что межгодовые изменения циркуляционного режима атмосферы, температуры воздуха и продолжительности безледного периода в Западном секторе Российской Арктики протекают синхронно.
Собраны и проанализированы с позиций динамики морских берегов данные о температуре и солености морской воды, параметрах морских волн и продолжительности безледного периода.
Впервые количественно определено влияние состава и льдистости мерзлых дисперсных пород на скорость разрушения морских берегов
3. Собраны и проанализированы все фактические данные о разрушении берегов Карского моря.
Установлено существенное различие морфологии подводных склонов в зависимости, как от геокриологического строения, так и от особенностей динамики их разрушения.
Впервые выявлена тесная связь динамики морских берегов с характером атмосферной циркуляции, температурой воздуха, продолжительностью безледного периода и суммарной энергией морских волн. Установлено, что вклад штормов в разрушение берегов изменяется от 5 до 25%, но в многолетнем аспекте роль штормов в разрушении морских берегов сравнительно невелика.
Установлена ритмичность и синхронность изменения скорости отступания морских берегов во времени.
Доказано, что в пределах термоабразионных берегов прилегающая часть суши и мелководная прибрежная часть моря представляет собой единую сбалансированную систему. Поэтому изменения в скорости разрушения подводного склона и основания берегового обрыва неизбежно отражаются в динамике (скорости) отступания берегового клифа.
Выявлено, что при всем многообразии деструктивных криогенных процессов ведущая роль в разрушении морских берегов, сложенных песчано-глинистыми отложениями, в Западном секторе Российской Арктики принадлежит комбинациям абразионного и обвально-осыпного, а так же обвально-осыпного и оползневого механизмов.
Разработан стохастический метод моделирования разрушения морских берегов. На основе разработанной модели выполнен прогноз динамики берегов при возможных изменениях климата, при повышении уровня Мирового океана и при техногенных воздействиях на 20-летнюю перспективу.
4. Выявлены закономерности формирования геоэкологических условий мелководной прибрежной части моря. Выделено два типа областей, отличающихся по условиям и источникам поступления в море твердых осадков, растворимых солей и органического углерода. В областях первого типа геоэкологические условия формируются, главным образом, под влиянием процессов взаимодействия суши и Арктического океана. В областях второго типа формирование геоэкологических условий происходит преимущественно под влиянием выноса крупных рек.
5. Выполнена типизация побережья Карского моря по геокриологическому и геоморфологическому строению. Составлена карта типов морских берегов, отличающихся по геокриологическому строению и морфологии прибрежной части суши.
На основе типизации впервые выявлена доля участия каждого из выделенных типов в структуре побережья как основа для оценки поступления материала в море при разрушении берегов. Составлена карта динамических типов морских берегов.
6. Оценено содержание растворимых солей и органического углерода в отложениях, слагающих разные типы морских берегов.
Составлен общий баланс твердых осадков, растворимых солей и органического углерода, ежегодно поступающих в Карское море при разрушении берегов.
Защищаемые положения.
1. Прибрежно-морская область криолитозоны - высокодинамичная геосистема, характеризующаяся различной реакцией ландшафтов на климатические изменения. При этом реакция мерзлотных ландшафтов не зависит от их расположения в той или другой природно-климатической зоне и определяется только индивидуальными свойствами ландшафтов и количеством поступившего тепла.
2. На берегах, сложенных дисперсными отложениями, геокриологическое строение и льдистость являются важным природным фактором, определяющим не только динамику, но, главным образом, механизм их разрушения и морфологию береговой зоны.
3. Динамика морских берегов в Западном секторе Российской Арктики находится в тесной связи с климатическими изменениями. Эта связь реализуется через изменение продолжительности безледного периода и изменения барического и циркуляционного режима атмосферы, в свою очередь вызывающих изменения параметров ветрового волнения на море. Скорость разрушения берегов хорошо коррелируется с обобщенным показателем барико-циркуляционного режима атмосферы - индексом Арктической осцилляции (АО).
4. Изменения в динамике разрушения морских берегов происходят ритмично и синхронно во всем Западном секторе Российской Арктики. Предстоящий 20- летний период будет характеризоваться сравнительно умеренными скоростями разрушения берегов.
5. Разрушающиеся морские берега и вынос крупных рек являются равноценными источниками поступления твердых осадков в бассейн Карского моря. Поступление органического углерода и растворимых солей, включая и питательные вещества, за счет разрушения берегов существенно меньше по сравнению с выносом крупных рек.
Научное и практическое значение работы. Научное значение работы определяется выявлением закономерностей динамики морских берегов и формирования геоэкологических условий прибрежно-морских областей западного сектора Российской Арктики. Установленные закономерности имеют как научное, так и практическое значение. С научной точки зрения решена крупная научная проблема - комплексно исследованы и охарактеризованы закономерности и особенности взаимодействия моря и суши для обширного региона Российской Арктики в условиях меняющегося климата. В практическом отношении:
• Выявленные закономерности динамики морских берегов Западного сектора Российской Арктики, отраженные на мелкомасштабных картах динамических типов морских берегов, служат основой для планирования мероприятий по устойчивому сбалансированному развитию прибрежных территорий
• Конкретные данные о динамике морских берегов в условиях меняющегося климата, крупномасштабные карты и прогнозные оценки используются при проектировании разработки нефтяных и газовых месторождений в прибрежной зоне и на шельфе и систем транспорта продукта.
• Оценку реакции криогенных толщ на глобальные изменения климата следует использовать для расчетов устойчивости инженерных сооружений и разработки природоохранных мероприятий.
• Новый фактический материал по динамике морских берегов, по оценке чувствительности криогенных толщ к изменению климата и криогенному строению прибрежно-морских отложений используется при чтении лекций студентам геологического и географического факультетов МГУ.
Апробация работы Результаты исследований докладывались на Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях, семинарах, съездах и т.п.:
• 8-ой Международной конференции по мерзлотоведению, Цюрих, 2003.
• Первой Европейской конференции по мерзлотоведению, Рим, 2001.
• Международных конференциях по проблеме ACD (Arctic Coastal Dynamics) в Потсдаме (2001), Осло (2002), С.-Петербурге (2003),
• Международных конференциях по криосфере Земли в Пущино, 1995-2003.
• Международной конференции «Экология северных территорий России: проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения», Архангельск, 2002.
• Международных конференциях "Cold Regions Engineering", Эдмонтон, Канада, 1995 и Анкоридж, США, 2001 и 2002.
• Международных совещаниях по динамике морских берегов (Вудс-Холл, США, 1999) и динамике криолитозоны (Фербенкс, США, 2000).
• Первом и втором съездах геокриологов России, Москва, 1996, 2001.
• Всес. научно-техн. конференции «Геоэкология: Проблемы и решения», Москва, 1990. а так же других конференциях, семинарах, совещаниях.
Результаты работы были представлены в форме устного доклада на ежегодной сессии объединенного Ученого Совета наук о Земле СО РАН в 2002г. (Новосибирск).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в виде разделов в четырех коллективных монографиях, 25 статьях в российских научных изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, и зарубежных рецензируемых журналах. Кроме того, отдельные научные положения диссертации опубликованы более чем в 20 тезисах и докладах различных конференций и семинаров.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 290 страниц текста, включающих 16 таблиц, 78 рисунков и список литературы из 299 наименований.
Автор глубоко признателен д.г-м.н. Е.С. Мельникову, д.г.н. А.В. Павлову, и д.г.н. Ф.Э. Арэ за помощь и постоянную поддержку исследований. Написание работы оказалось возможным благодаря совместной работе, помощи и ценным советам д.г-м.н. Ю.Л.Шура (Университет Аляски, США), д.г.н. Н.Г. Москаленко, к.г-м.н. B.C. Дроздова, Г.В. Малковой, М.О. Лейбман, н.с. Ю.В. Коростелева, н.с. А.И. Кизякова (ИКЗ СО РАН), к.г.н. М.Н. Григорьева (ИМ СО РАН), к.г-м.н. Б.А. Ванштейна, к.г-м.н. Ю.Г. Фирсова, к.г-м.н. Г.А. Черкашева (ВНИИокеангеология). Особую признательность автор хотел бы выразить свои коллегам из Геологической службы Канады - Д. Эткинсону и С. Соломону за постоянный интерес, обсуждение идей и консультации по теме исследований. Автор особенно благодарен д.г-м.н. В.Т. Трофимову (геологический ф-т МГУ), д.г.н Н.А. Айбулатову (ИО РАН) и д.г-м.н. СМ. Фотиеву (НСКЗ) за сделанные замечания и пожелания по сути работы, которые безусловно способствовали улучшению диссертации. Автор признателен сотрудникам ИКЗ СО РАН, МГУ и ВСЕГИНГЕО за помощь при проведении полевых наблюдений. Автор хотел бы поблагодарить к.г-м.н., И,Д. Стрелецкую (МГУ) и М.З. Каневского (ИКЗ СО РАН), при доброжелательной помощи которых работа увидела свет.
Краткий очерк геологического строения
В геологическом строении побережья Карского моря принимают участие несколько крупных разновозрастных геологических структур первого порядка (с востока на запад): горная система Таймыра, включающая Таймырско - Севєроземельскую складчатую область, эпигерцинская Западно-Сибирская плита, Урало-Новоземельская горная система (Инженерная геология...., 1976, 1977, 1978).
В структуре Таймырско -Североземельской складчатой области участвуют горные породы архейского, протерозойского, палеозойского и позднемезозойского возраста. Домезозойские породы представлены гнейсами, метаморфизованными сланцами, известняками и т.п. Поверхностный чехол сложен юрскими и меловыми известняками, песчаниками и алевролитами (сланцами).
Ледники в пределах региона распространены на островах Северной Земли. Покровный ледник на острове Октябрьской Революции занимает около половины всей его площади, а на острове Большевик - около 30%. Таким образом, частично берега этих островов представлены ледниками.
Вследствие преимущественно горно - складчатой истории геологического развития четвертичный покров, как правило, представлен маломощным чехлом ледниковых, водно-ледниковых, аллювиальных, элювиальных, делювиальных и озерно-болотных отложений среднего -верхнего плейстоцена и голоцена. Морские отложения этого же возраста распространены в виде узких полос и небольших пятен на берегах заливов (Романенко, 1998). Характерной особенностью состава четвертичных отложений, независимо от их генезиса, является грубый состав с преобладанием щебнисто-дресвяной фракции. Исключением являются аллювиальные отложения рек Пясины и Нижней Таймыры. Здесь аллювиальные отложения представлены гравиино-галечниковым материалом с супесчано-суглинистым заполнителем, в устье рек преобладают супесчано-суглинистые отложения, иногда встречаются прослои и линзы торфа. Другой важной особенностью четвертичных отложений является их незначительная мощность, практически никогда не превышающая первые десятки метров.
В целом для побережьяТаймыра от мыса Челюскин до Диксона характерны морские берега, сложенные скальными породами. Рыхлые четвертичные отложения встречаются только в понижениях рельефа. Их мощность составляет, как правило, составляет несколько метров. К югу от Диксона роль четвертичных отложений возрастает. Здесь встречаются сначала морские цокольные террасы с коренной основой и рыхлой верхней частью, а затем, в приустьевой части Енисейского залива, и берега, полностью сложенные супесчано-суглинистыми отложениями мощностью до 20-30 метров.
Западно-Сибирское побережье Карского моря сложено исключительно четвертичными отложениями. Принято считать, что в первом приближении север Западной Сибири представляет собой террасированную поверхность, расчлененную современными криогенными процессами, и осложненную неотектоническими движениями (Полуостров..., 1975, Трофимов и др., 1980 и др.)
Наиболее древними являются глинистые отложения салехардской свиты (Q ц2"4). Они слагают наиболее высокие гипсометрические поверхности. На Ямале и Тазовском полуострове это отметки до 90-130м., соответственно, в центральной части Гыдана-до 150м. Эту поверхность принято называть салехардской равниной или иногда - пятой морской террасой. На побережье Карского моря выходы салехардской равнины распространены сравнительно ограниченно. Более или менее протяженные берега, сложенные салехардскими отложениями, встречаются в юго-западной части Гыданского полуострова (от широты Тадибеяхи до мыса Трехбугорного) и на западном побережье Тазовского полуострова (к Ю от широты 68 ). По составу салехардские отложения представлены темно-серыми до черного цвета плотными глинами и тяжелыми суглинками. В отдельных случаях в краевых частях Западно-Сибирской равнины разрез салехардских глин обогащен валунно-галечниковым материалом.
Более молодыми являются казанцевские отложения (Qui ). Протяженность берегов, сложенных казанцевскими отложениями, примерно вчетверо больше, чем у берегов, с салехардскими отложениями. Непосредственно к морскому побережью они выходят в северной и западной части Гыданского полуострова (от широты 72 до Тадибеяхи) и в северной части Тазовского полуострова а так же небольшими фрагментами в других частях Ямала, Гыданского и Тазовского полуостровов. Казанцевские отложения слагают поверхность казанцевской морской равнины или четвертой морской террасы. Абсолютные отметки казанцевской равнины на побережье Карского моря составляют 40-50м, иногда до 60м. Казанцевские отложения сформировались в условиях мелководного морского бассейна (Зубаков 1972, 1986, Павлидис и др, 1998) и , как правило, представлены переслаиванием глин, суглинков, супесей и песков. Преобладающей разностью являются суглинки (Дубиков, 2002). Часто в верхней части разреза казанцевских отложений наблюдается ритмичное переслаивание тонкозернистых песков и суглинков, что соответствует регрессивной фазе накопления осадков в казанцевское время. Характерной особенностью казанцевских отложений является повышенное содержание растительного детрита.
Более низкие гипсометрические отметки занимают III, II и I морские террасы. Протяженность берегов, сложенных морскими террасами примерно одинакова для III и II террас и несколько меньше для I террасы. Морские террасы, наряду с лайдами, в основном, и слагают южное побережье Карского моря. Отложения III морской террасы на морском побережье занимают пространства с абсолютными отметками 20-35 м. и представлены переслаиванием темно-серых и зеленовато-серых суглинков, реже глин, и пылеватых песков и супесей при общем преобладании в основании разреза суглинистого материала. Считается, что мощность собственно отложений III террасы не превышает 25м (Дубиков, 2002), поэтому в основании разрезов III морской террасы с отметками выше 25м. залегают казанцевские отложения. Таким образом, в некоторых случаях III морская терраса является цокольной.
Отложения II морской террасы приурочены к поверхностям с абсолютными отметками местности 10-20 (редко 25) м. По составу вторая морская терраса преимущественно суглинисто-глинистая, но в верхней части разреза часто встречаются супесчано-песчаные разности. Вторая морская терраса, как правило, так же является цокольной.
Отложения I морской террасы расположены сравнительно узкой прерывистой полосой на побережье Ямала и Гыдана и занимают абсолютные отметки 5-11м. С поверхности отложения первой террасы наиболее часто представлены мелкими и пылеватыми песками, вниз по разрезу они сменяются супесями и суглинками.
Наибольшие пространства побережья Карского моря в пределах Западно-Сибирской равнины занимают современные лайды. Абсолютная отметка лайд составляет 2-5м. Лайды протягиваются прерывистой полосой вдоль морского побережья, занимают значительные пространства в устьях рек а так же слагают многочисленные аккумулятивные острова Карского моря. По составу отложения лайд представлены преимущественно мелкими и пылеватыми песками, супесями с прослоями суглинков и линз аллохтонного торфа. Характеризуются высоким содержанием рассеянной органики в виде детрита. На поверхности современных лайд наблюдаются процессы торфообразования, поэтому торф занимает заметное место в разрезе современных лайд.
Распространение и мощность многолетнемерзлых пород
Континентальная часть побережья Карского моря полностью располагается в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП) большой мощности. Общеизвестно, что мощность мерзлой толщи определяется климатическими факторами, составом и свойствами пород, величиной теплового потока снизу, который связан так же с тектоническими условиями, рельефом и историей геологического развития (палеогеографическими условиями).
Мощность криолитозоны на островах Северной Земли, оцениваемая как мощность толщи с отрицательной температурой, по данным А.Д. Дучкова и В.Т. Балобаева (Duchkov, Balobaev, 1998) превышает 500м. По другим данным (Геокриология СССР, 1989) она не может быть меньше 330м. Примерно схожая ситуация наблюдается для побережья северного Таймыра. Мощность ММП к ЮЗ от мыса Челюскин до устья р. Пясина оценивается в 300-500м., а на побережье Пясинского залива в 400-600м. На побережье Енисейского залива мощность ММП закономерно снижается до 200-300м. (Геокриология СССР, 1989). Необходимо принять во внимание, что для этих регионов можно привести только оценочные данные, поскольку фактические данные о мощности ММП вблизи морского побережья отсутствуют, и имеющиеся оценки основаны на экстраполяции результатов определения мощности ММП во внутриконтинентальных районах, преимущественно в Енисейско - Хатангском прогибе. К сожалению, изменения мощности ММП по мере продвижения от внутриконтинентальных районов к морскому побережью могут быть очень значительны. Поэтому приведенные цифры могут служить только для ее ориентировочной оценки.
Более детально изучена мощность ММП в Западной Сибири. Сравнительно полные данные о мощности ММП в центральных районах Западной Сибири, основанные на результатах геотермических измерений в глубоких скважинах, приведены на сайте Национального Центра данных по снегу и льду США - www.nsidc.org. В общем, можно отметить, что по многочисленным оценкам (Баулин, 1985, Вечная мерзлота...,2002, Инженерно-геологический..., 1996, Полуостров Ямал, 1975, Трофимов и др., 1980) максимальная мощность ММП на севере Западной Сибири наблюдается в северной части Гыданского по-ва и северо-востоке Ямала. Здесь мощность ММП превышает 400м.
На побережье центральной и южной части Ямала, Тазовского п-ва и Гыдана, включая и побережья Обской, Тазовской губ и южной части Енисейского залива (до авандельты) по тем же данным мощность ММП оценивается примерно в 300м. Некоторые реальные данные о мощности ММП в Западной Сибири по результатам каротажа разведочных и промысловых скважин приведены в работе ВНИИГАЗ (Методика контороля..., 2000). Здесь важно отметить, что для Западной Сибири, вследствие повсеместной засоленности пород выделяются две толщи - собственно ММП и охлажденные засоленные породы. Их соотношение можно видеть из данных таблицы 3.1 Как следует из данных, приведенных в таблице 3.1, существенные различия в мощности ММП и криолитозоны в целом наблюдаются, в основном, для северных месторождений, где и распространены засоленные породы. На южных месторождениях эти мощности достаточно близки. Принимая во внимание эти данные, необходимо учитывать, что оценки мощностей сделаны на основе геофизического каротажа в промысловых скважинах после их бурения, в процессе которого температурный режим криолитозоны резко нарушается. В связи с этим к результатам оценки мощностей следует относиться с известной осторожностью.
В южной части побережья Байдарацкой губы и далее на запад до п. Усть-Кара мощность отрицательно температурных толщ на суше составляет не более 150-200м. (Природные условия. ..,1997). К западу от п. Усть -Кара мощность отрицательно температурных толщ резко возрастает и на побережье Югорского п-ва оценивается в 400-600м. (Геокриология СССР, 1988), а по некоторым данным (Оберман, 1974, Почвенно - геологические..., 1984) в районе Амдермы достигает 900м. Вероятно, к этим данным следует относиться с некоторой осторожностью, поскольку они основаны на экстраполяции малоградиентных кривых распределения температуры ММП в скважине. В таких случаях при оценке мощности возможны очень значительные ошибки. Цифры в 400-600м кажутся более реалистичными. По фактическим данным, полученным при бурении специальной скважины, предназначенной для длительного мониторинга температурного режима в районе г. Хоромога, мощность ММП определена в 450-460м. Мощность ММП в западной части Югорского п-ва оценивается в 100-300м (Геокриология СССР, 1988). Н.Б. Какунов (2001) считает, что формирование толщи мерзлых пород на европейском Северо-Востоке, включая и Югорский п-ов, тесно связано с гидрогеологическими условиями. Он относит побережье Югорского п-ова к районам, в пределах которых формирование отрицательных температур происходит в толще не содержащей пресных подземных вод (геотермическая зона I). Непосредственно на побережье мощность ММП по Н.Б. Какунову составляет более 200м.
Суммарная мощность криолитозоны на о. Вайгач составляет около 300-400м (Геокриология СССР, 1988). Установленная мощность ММП на южном острове архипелага Новая земля составляет 400м. (Пармузин и др., 2001, Петрожицкий и др., 2001). В пределах северного острова с учетом толщи ледника примерно в 300-500м. мощность возрастает до 500-600м.(Геокриология СССР, 1988).
Известно (Вечная мерзлота..., 2002, Дубиков, 2002, Инженерно-геологический..., 1996, Хименков, Брушков, 2003 и др.), что для области сплошного распространения ММП в Западной Сибири и для Югорского п-ва характерно двухслойное строение. Верхний горизонт пород имеющих отрицательную температуру может быть отнесен к действительно мерзлым. В толще мерзлых пород содержатся ледяные включения, линзы и прослои видимого льда. Консистенция грунтов в этом горизонте - твердомерзлая. Ниже залегает достаточно мощная толща пород, имеющих отрицательную температуру, но находящихся в охлажденном состоянии и имеющих пластичную консистенцию. Это связано с повсеместной засоленностью прибрежных отложений морского и лагунно-морского генезиса. Новейшие данные позволяют достоверно оценить мощность твердомерзлого горизонта.
Температура начала замерзания засоленных грунтов в прямой степени зависит от степени их засоленности и состава. При этом влияние состава грунтов определяется содержанием незамерзшей воды, которое в свою очередь является функцией суммарной поверхностной энергии (Адамсон, 1979, Чистотинов, 1973, Чистотинов, Мандаров, 1974). При одинаковом составе температура начала замерзания грунтов зависит только от их засоленности. Имеется множество экспериментальных данных о влиянии состава грунтов и засоленности на температуру начала замерзания, обзор этих данных не входит в задачи настоящего исследования. Отметим только, что все эти данные, как правило, получены для искусственно
Особенности криогенного строения и льдистости
Криогенное строение и льдистость отложений побережья Карского моря, вследствие единой истории их формирования и последующих изменений, обладают общими чертами и закономерностями их пространственной изменчивости. Разумеется, локальные условия осадконакопления и криогенеза в разных секторах Карского моря накладывают индивидуальные особенности на геокриологическое строение.
В результате в криогенном строении прибрежных отложений выделяются как общие, так и индивидуальные черты. Разрезы четвертичных отложений, их криогенное строение и льдистость изучались нами на Югорском п-ве в районе мыса Шпиндлер, Западном Ямале в районах устья р.Юрибей, Марре-Сале, Харасовэй, мыса Бурунный, Центральном Ямале на Бованенковском ГКМ, районе оз. Ней-то, Гыданском п-ве, в районе устья р. Танамы.
Криогенное строение и льдистость прибрежных отложений Таймыра изучена недостаточно. Наиболее детальные исследования проведены в устье Енисея, в районе Селякин мыс (Данилов, 1969). Несмотря на то, что, строго говоря, этот район не относится к современному морскому побережью, основные особенности его криогенного строения и льдистости присущи так же и всем разрезам ингрессионных морских и прибрежно-морских отложений, слагающих верхние ярусы преимущественно цокольных морских террас северного и юго-западного Таймыра. Характерной особенностью криогенного строения является присутствие крупнослоистых, (до не полносетчатых) криогенных текстур в верхней части разреза с их постепенным вырождением вниз по разрезу. В песчаных прослоях наблюдается наиболее типичная тонкослоистая, иногда микролинзовидная, тонкошлировая криогенная текстура. В самой нижней части разреза морские супеси и суглинки, как правило, имеют массивную криогенную текстуру. К песчаным прослоям приурочены маломощные (до 1-2м) пластовые льды. Объемная льдистость морских глин изменяется в широких пределах, но в основном она составляет 20-40%. Влажность морских суглинистых отложений в районе мыса Шайтанский изменяется в очень широких пределах в связи с их заторфованностью и составляет 18-60% ( Korobova et al., 2003). В целом, объемная льдистость ингрессионных морских отложений Таймыра составляет 20-50%, с преобладанием величин объемной льдистости 25-40%).
Наиболее полно исследовано криогенное строение и льдистость севера Западной Сибири. Основные закономерности пространственной изменчивости рассмотрены в работе В.Т. Трофимова с соавторами (1980), а позднее на основе более поздних данных и с учетом особенностей криогенеза - в монографии Г.И. Дубикова (2002). Несмотря на сравнительно хорошую изученность особенностей криогенного строения и льдистости, следует отметить, что в подавляющем большинстве выводы и закономерности основаны на анализе данных бурения мелких (до 10м.) скважин, пройденных в районах зачастую удаленных от морского побережья.
Криогенное строение прибрежных отложений детально изучено в районе Марре-Сале. Результаты исследований позволили выделить основные типы криогенных толщ по особенностям криогенеза. Предложенная типизация, в принципе, применима ко всем разрезам прибрежных отложений, по крайней мере, в пределах Западно-Сибирского побережья Карского моря.
Изучение криогенного строения четвертичных отложений и динамики береговых процессов проводилось в 2001-2003 гг. на участке берега протяженностью 4.3 км, приуроченному ко второй и третьей морским террасам. Всего детально изучено 14 береговых обнажений на всю видимую мощность четвертичных отложений. В основании геологического разреза обычно залегают морские глины с прослоями песков и супесей, нередко смятые в складки. Верхняя часть разреза представлена преимущественно континентальными отложениями (аллювиальными, озерно-болотными, эоловыми): песками, нередко оторфованными с поверхности, а также супесями и суглинками. В первом приближении на изучаемом участке можно выделить 3 основных литологических типа разреза береговых обрывов: 1) преимущественно песчаный; 2) преимущественно глинистый; 3) песчано-глинистый (под толщей континентальных песков залегают морские глины с прослоями песков и суглинков). Последний тип распространен наиболее широко. Криогенное строение отложений берегового клифа является очень сложным. В зависимости от криогенного происхождения можно выделить 5 основных типов разрезов ММП: 1) континентальные и прибрежно-морские отложения, промерзшие преимущественно сингенетически, мощностью до 5-7 м, подстилаемые эпикриогенными морскими и прибрежно-морскими отложениями; 2) синкриогенные континентальные и прибрежно-морские отложения мощностью до 6-Ю м, верхняя часть которых (мощностью до 4-6 м) подверглась оттаиванию и вторичному промерзанию; 3) эпикриогенные морские и прибрежно-морские отложения, промерзшие до начала складкообразования; 4) эпикриогенные морские и прибрежно-морские отложения, оттаявшие после завершения складкообразования и промерзшие вторично; 5) синкриогенные отложения современных морских лайд. Обычно отложения, относящиеся к первому и второму типу, подстилаются отложениями третьего или четвертого типа, однако в ряде разрезов мощность континентальных отложений редуцирована, и морские отложения залегают практически сразу под подошвой СТС. Суммарная льдистоть отложений (без учета залежеобразующих льдов) составляет для песков и супесей 20-30% (максимально до 70% в синкриогенных отложениях), для глин и суглинков - 30-50% (максимально до 100-120% в отдельных прослоях эпикриогенных глин). В разрезе на разных глубинах (от 1 до 5-6 м) встречены ПЖЛ шириной от 0,1 до 3 м. В синкриогенных отложениях, относящихся к первому типу, ледяные жилы залегают близко к поверхности (в 10-20 см под СТС), размер полигонов колеблется от 10-15 до 30 м. В отложениях второго типа погребенные ледяные жилы залегают с глубины 4-6 м, нередко проникая в нижележащие морские отложения. В морских отложениях (как в песках, так и в глинах) были встречены пластовые залежи льда мощностью до 3 м и протяженностью до 80-90 м. Рассмотрим особенности криогенного строения, характерные для каждого из пяти выделенных типов разрезов ММП:
Климат
В соответствии с климатическим районированием Арктики (Прик, 1971) Карское море относится к восточному району Атлантического сектора Северного Ледовитого океана. Острова Северная Земля образуют естественную географическую границу сектора. Район испытывает значительное влияние циркуляционных процессов средних широт, особенно Исландской депрессии (Природные условия..., 1997). Формирование климата происходит как под воздействием глобальных (солнечная радиация, атмосферно-циркуляционные процессы), так и местных (характер подстилающей поверхности) факторов.
Важнейшими характеристиками климата, влияющими на динамику морских берегов, являются особенности барико-циркуляционного режима, температура воздуха, ветер и в значительно меньшей степени - осадки. Барико-циркуляционный режим.Поле атмосферного давления и связанная с ним циркуляция атмосферы имеет некоторые, хорошо выраженные особенности, которые определяют чередование режимов в атмосфере полярной области. Замечено, что чередование режимов в атмосфере имеет некую периодичность (Hurrell, 1995, Thompson, Wallace, 1998). Средние многолетние чередования режимов изменения атмосферного давления принимаются за климатический шаблон (стандарт), а отклонения от него принято характеризовать индексом осцилляции. По физическому смыслу индекс осцилляции определяется как относительная скорость изменения атмосферного давления в циркумполярной области.
Замечено, что при негативных (отрицательных) значениях индекса осцилляции формируется синоптическая обстановка, при которой наблюдается полоса штормов от западного побережья Северной Америки до юга Европы (рис.4.1. А). Вся обширная область Центральной, Восточной Европы и юго-западной части побережья Карского моря оказывается в области с сухой погодой. Южнее полосы штормов формируются области с влажной погодой. Обратная картина наблюдается при положительных значениях индекса осцилляции. В этом случае полоса штормов формируется от Исландии вдоль Арктического побережья Европы, вплоть до островов Северная Земля (рис.4.1.Б).
Не вдаваясь в детали формирования барико-циркуляционного режима, отметим, что использование индекса осцилляции как его комплексной характеристики оказывается очень удобным для оценки тенденций динамики морских берегов в Арктике в связи с изменениями климата. В метеорологической литературе обсуждается захватывает ли процесс формирования особого барико-циркуляционного режима всю северную Атлантику, включая и циркумполярную область, и можно говорить о северо-атлантическом индексе (САО). Или процессы развиваются отдельно в северной Атлантике и циркумполярной области, тогда нужно говорить об индексах САО и АО (арктические осцилляции). В принципе, для целей оценки динамики морских берегов это не столь важно, поскольку имеются фактические данные об индексах САО и АО, и можно пробовать установить соответствие динамики берегов как с САО, так и с АО. Доказано, что наблюдается корреляция между значениями индекса САО и высотой волн в северной Атлантике (Kushnir et al., 1997). Анализ,
Формирование синоптической обстановки при негативных (А) и позитивных (Б) значениях индекса Северо-Атлантической осцилляции (по данным http://www.ldeo.columbia.edu/NAO). выполненный Д. Аткинсоном и С. Соломоном (Atkinson, Solomon, 2003), показал, что для всей циркумполярной области существует так же корреляция между значениями индекса АО и скоростью и направлением ветра. При этом уровень корреляции значительно снижается при скорости ветра более 10м (штормовые ветра). В последние 30 лет наблюдается положительный тренд в изменениях среднегодовых значений индекса САО (Hurrell, van Loon, 1997). Возрастание индекса АО так же особенно хорошо заметено для его среднегодовых значений. Среднелетние же значения индекса АО имеют столь незначительный положительный тренд, что им можно пренебречь (рис. 4.2). Таким образом, даже краткий анализ формирования барико-циркуляционного режима в циркумполярной области показывает, что можно попытаться связать динамику морских берегов в Арктике с климатическими особенностями. Наиболее удобным обобщенным показателем климата является индекс АО. Температура воздуха. Температура воздуха является важнейшим климатическим показателем, определяющим как изменения геокриологических условий в прибрежной зоне, так и гидродинамические параметры моря, в первую очередь — продолжительность безледного периода. Побережье Карского моря в силу уже упоминавшихся особенностей климата характеризуется существенно различными величинами среднегодовой температуры воздуха. Наблюдается закономерное повышение среднегодовой температуры воздуха с востока на запад. Наиболее низкие среднегодовые температуры воздуха характерны для островов Северной
