Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Физико-географическая характеристика криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин
1.1 Климат региона 12
1.2 Геологическое строение и рельеф 18
1.3 Почвенные условия 21
1.4 Растительный покров 22
1.5 Поверхностные и подземные воды 29
Глава 2. Характеристика криолитозоны и криогенных процессов Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин 43
2.1 История изучения многолетнемерзлых пород 43
2.2 Условия формирования многолетнемерзлых пород Мезенской и Канинской тундр
2.2.1 Особенности распространения мерзлых толщ 54
2.2.2 Сезонное оттаивание и промерзание горных пород 73
2.3 Виды антропогенного воздействия на криолитозону 80
Глава 3. Методика изучения геоэкологического состояния криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин 90
Глава 4. Динамика криолитозоны в связи с изменениями климата
4.1 Региональные изменения климата в последние 100-150 лет 102
4.2 Криогенные процессы как индикаторы изменения состояния многолетнемерзлых пород
4.3 Динамика криолитозоны и тенденции ее развития 137
Глава 5 . Пещерно-карстовые льды в зоне сезонного промерзания юго-востока Беломорско-Кулойского плато 144
5.1 Лед в карстовых пещерах 144
5.2 Динамика карста 169
5.3 Специфика подземной гляциодинамики 182
Глава 6 . Антропогенное воздействие, прогноз возможного изме нения криолитозоны и мероприятия по охране окружающейприродной среды 193
6.1 Антропогенное воздействие на окружающую среду в криолитозоне
6.2 Изменения биотических компонентов экосистем 214
6.3 Прогноз возможного изменения криолитозоны 216
6.4 Мероприятия по охране окружающей природной среды 228
Основные выводы 236
Заключение 237
Список использованных источников 242
Список рисунков 277
- Климат региона
- История изучения многолетнемерзлых пород
- Региональные изменения климата в последние 100-150 лет
- Лед в карстовых пещерах
Введение к работе
До недавнего времени индустриальное освоение Онего- Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин оставалось очаговым. Его экстенсивное использование, которое было направлено лишь на эксплуатацию природных ресурсов и получение быстрых экономических результатов оказалось не только губительным для природы, но и экономически не выгодным. Хрупкая и чувствительная к любым внешним воздействиям природа региона - неустойчива к смене тешюоборотов, неизбежно сопутствующих освоению района. Вследствие этого мерзлые грунты легко переходят в талое состояние с последующим развитием целого ряда неблагоприятных и опасных криогенных ' процессов и явлений, что обуславливает резкую активизацию обратимых и необратимых нарушений криолитозоны региона.
Онего-Двинско-Мезенская равнина (ОДМР) и полуостров Канин являются регионом, освоение которого осложняется наличием многолетнемерзлых пород (ММП). Изучение современной криолитозоны данной территории и прогноз ее будущего развития актуальны в связи с интенсивным хозяйственным освоением Севера, в частности, разработкой месторождений нефти и газа Мезенской синеклизы, алмазов Зимнего берега, строительством промышленных объектов, нефте- и газопроводов, транспортных магистралей. В связи с этим реально возникает задача рационального хозяйственного освоения северных территорий, улучшения технологии строительства и эксплуатации всех возводимых инженерно-геологических сооружений в криолитозоне и как следствие этого - прогноза состояния на будущее, сохранение гармонии между обществом и природной средой Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин. Подобная задача может быть решена только на базе обоснованной концепции гео-криоэкологической стратегии освоения криолитозоны Севера разработанной на комплексной основе путем интеграции многих научных дисциплин (Проблемы, общей и прикладной геоэкологии Севера..., 2001).
Актуальность темы. Необходимость изучения ММП Европейского Севера России определяется, прежде всего, тем, что данный район, как и другие территории с незначительным распространением ММП, исследованы не полно. В то же время исследование криогенных процессов на территории Архангельской области (АО) имеет большое значение, в частности как отражение региональных проявлений изменений климата.
Многолетнемерзлые породы и подземные льды в карстовых формах рельефа, развитые в регионе являются одним из наиболее чувствительных индикаторов изменения окружающей среды. Помимо климатических изменений, большое влияние на состояние и динамику ММП и подземных льдов оказывает ' антропогенное воздействие. Эти два фактора воздействуют на устойчивость и динамичное развитие криогенных процессов региона.
Изучение криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин имеет особое значение для геокриоэкологического мониторинга исследуемой территории в связи с интенсификацией разведки и разработки месторождений нефти и газа Мезенской синеклизы, алмазов Зимнего берега, а также строительством новых транспортных магистралей (Архангельск-Карпогоры-Вендинга-Вятка, Архангельск-Мезень). Необходимость исследования территорий с подземным льдом в карстовых пещерах обусловлена их уникальным рекреационным потенциалом. В пределах ОДМР специальных комплексных исследований по изучению динамики ММП и подземного льда в карстовых формах рельефа в связи с динамикой климатических изменений не проводилось. Данная диссертационная работа выполнялась в рамках основных направлений фундаментальных исследований, утвержденных распоряжением президиума РАН 1 июля 2003 года: 6.19 «Эволюция окружающей среды и прогноз ее развития в условиях быстрых природных и антропогенных изменений»; 6.21 «Исследование, мониторинг и прогноз состояния криосферы и изменений мерзлотных условий».
Цель исследований состоит в изучении особенностей геоэкологического состояния криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова
Канин, прогнозировании возможных изменений криолитозоны, выработке рекомендаций по охране окружающей среды.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач: /. установить характер и пределы распространения криолитозоны района;
2. изучить современное состояние подземного оледенения в карстовых пе-
' щерах;
выявить пространственно-временную динамику криолитозоны региона и причины колебания ее южной границы в различные периоды времени;
охарактеризовать виды антропогенного воздействия на экосистемы криолитозоны, составить прогноз возможных изменений криолитозоны, разработать рекомендации для проведения природоохранных мероприятий в криолитозоне региона.
Теоретической основой диссертации являются положения, изложенные в материалах, принятых на конференциях: «Ритмы природных процессов в крио-
" сфере Земли» (Пущино, 2000); «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли» (Пущино, 2001), «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения. Пущино, РАН Объединенный совет по криологии земли» (Пущино, 2003); вторая конференция геокриологов России (Москва, 2001), в работе которых автор принимал участие, а также теоретические и прикладные аспекты анализируемой проблемы, нашедшие отражение в исследованиях отечественных и зарубежных ученых. Принципиальное значение при этом имеют труды: В.Д.Дублянского, Э.Д.Ершова, Т.Н.Каплиной, В.Н.Конищева, В.М.Котлякова, В.А.Кудрявцева, Г.А.Максимовича, М.А.Манько, Е.С.Мельникова,
" Н.Н.Романовского, А.В.Павлова, А.И.Попова, М.И.Сумгина, Н.А. Шполянской и многих других.
Научная новизна работы
Показано, как антропогенное влияние на криолитозону региона обуславли-
. вает локальную трансформацию экосистем, воздействует на интенсивность развития деструктивных криогенных процессов, изменяет микроклимат в пещерах и приводит к разрушению пещерно-карстового льда. На основе выполненного
анализа геоэкологического состояния криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин установлено, что она представлена ММП островного и редкоостровного типов распространения и сезонномерзлыми породами, а также многолетними льдами в карстовых пещерах. Подтверждено, что на современную пространственно-временную динамику ММП и подземного оледенения оказало влияние потепления климата в XX веке. Современная криолитозона района находится в состоянии деградации.
Объект исследований. Криолитозона Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин.
Предмет исследований. Геоэкологические условия развития криогенных
процессов, пещерно-карстовых льдов.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в:
комплексной характеристике распространения многолетней мерзлоты и подземного оледенения в карстовых формах рельефа и причинно-следственных взаимосвязей ММП с компонентами ландшафтов;
исследовании современных пещерно-карстовых льдов и сезонно-мерзлого слоя вне зоны распространения ММП, вблизи южной границы криолитозоны.
Практическое значение и внедрение результатов диссертационной работы заключается в том, что
результаты исследований могут быть использованы при геологоразведочных работах, при выборе методов и принципов строительства, разработке мероприятий по защите уже эксплуатируемых сооружений, разработке рекомендаций по охране природной среды;
рекомендации по изучению криолитозоны, изложенные в настоящей работе, были использованы при проведении геоэкологических экспедиций на территории западной части Европейского Севера России ИЭПС УрО РАН;
проводится подготовка научных материалов по теме: «Оценка геоэкологического состояния районов Европейского севера по комплексу материалов космических и наземных съемок (на примере Архангельской области)» для ис-
пользования их в учебном процессе ВУЗов Европейского Севера России;
Апробация работы: Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 43 печатных работах (из них 16 в соавторстве) и были доложены и обсуждены на 22 российских и международных конференциях: на международной
' конференции «Поморье в Баренц регионе: экология, экономика, социальные проблемы, культура» (Архангельск, 1997), на IX Ломоносовских чтениях (Архангельск, 1997), на первой международной конференции «BASIS» (Санкт-Петербург, 1997), на международной конференции «International SCANTRAN meeting and IGBP terrestrial transact for Scandinavia II Northern Europe», (Финляндия, Рованиеми, 1998), на юбилейной научно-практической конференции «Проблемы Северо-Запада: экология и образование» (Санкт-Петербург, 1999), на всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Экология-98» (Архангельск, 1998); на научно-практической конференции «Научно-
* техническая политика и развитие новых отраслей экономики Архангельской области» (Архангельск, 1998), на международной конференции «The sixth Circumpolar Universities Co-operation Conference. Northern development and Sustainable Livelihoods: Towards a Critical Circumpolar Agenda», (Шотландия, Абердин, 1999), на международной конференции «Геодинамика и геоэкология» (Архангельск, 1999); на научно-практической конференции «Проблемы охраны изучения природной среды русского Севера» (Пинега, 1999), на международной конференции «Ритмы природных процессов в криосфере Земли» (Пущино, 2000), на Международной конференции «Поморье в Баренц-регионе» (Архангельск, 2000), на Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы экологии человека» (Архангельск, 2000), на Международной конференции «Вековые изменения морских экосистем Арктики. Климат, морской перигляциал, биопродуктивность» (Мурманск, 2000), на годичной сессии научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2001, 2002), на международной конференции «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли» (Пущино, 2001), на второй конференции геокриологов (Москва, 2001), на
науч.-практ. конф. «Молодые ученые Поморья. Ломоносова достойные потомки» (Архангельск, 2001), на международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002), а также в журнале «Chemosphere. Global Change Science», №1 (Великобритания, 1999), в сборнике «European Commission. Ecosystem research report № 31. Terrestrial transact for Scandinavia/Northern Europe: Proceedings of the international Scantran conference, Directorate-General Science, Research and Development», (Бельгия, Брюссель, 1999), в сборнике Экология (Екатерин-* бург, 2000), в вестнике Поморского государственного университета (2003).
Основные положения работы рассматривались на заседаниях ученого совета Института экологических проблем Севера УрО РАН (ИЭПС УрО РАН) в рамках годовых и пятилетнего научных отчетов лаборатории комплексного анализа наземной и космической информации для экологических целей.
Связь работы с научными фондами и программами. По теме диссертации в 2000-2001 гг. в соавторстве получена поддержка научной программы «Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук. Университеты России» (№ УР.07.01.064, 2000-2002). Научная работа автора диссертации «Современное состояние и динамика зоны ММП и подземного оледенения в карстовых формах рельефа в связи с изменениями климата на севере Беломорско-Кулойского плато» является победителем конкурса 2000 года на лучшие научные работы среди молодых ученых и аспирантов УрО РАН в секции «Наук о Земле». Научная работа автора диссертации «Особенности криолитозоны западной части Европейского Севера России (Онего-Двинско-Мезенская равнина)» является победителем конкурса 2003 года на лучшие научные работы среди молодых ученых и аспирантов УрО РАН в секции «Наук о Земле». По теме диссертации в 2001-2002 гг. в соавторстве по-" лучена поддержка программы ФЦП «Интеграция» (№ Ц 0009; 0039). В 2002 г. работа была поддержана РФФИ «Север» (№ 04-0297502; № 05-0297502). Автор награжден почетной грамотой администрации Архангельской области за личный вклад в развитие науки Архангельской области (2001 г.).
Фактический материал. Работа основана на данных собственных исследований, а также метеорологических наблюдений проводимые федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Фактический материал получен в результате семилетних (1996-2002) полевых исследований автора в районах Мезенской и Канинской тундры, Беломорско-Кулойского плато и по профилю Шойна-Несь-Койда-Мезень-Пинега (сделано 500 микроклиматических измерений в пещерах, 450 - в шурфах, 450 - в приземном слое воздуха; измерена глубина сезонно-талого слоя (1450); отобрано 69 проб для анализа на содержание тяжелых металлов (Койда, Несь, Шойна), радионуклидов; описан растительный покров (ПО), пройдено 70 почвенных профилей). Общий анализ всего материала, главные выводы, схематические карты выполнены автором.
Основные научные положения защиты: >
Установлено, что современная криолитозона Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин представлена островными и редкоостровными типами распространения многолетнемерзлых пород, сезонно-мерзлыми породами и многолетними пещерно-карстовыми льдами;
Показано, что криогенные процессы пучения, термокарста, вытаивания пещерно-карстовых льдов, миграция южной границы многолетнемерзлых пород являются индикаторами деградационной тенденции современного развития криолитозоны региона в условиях меняющегося климата;
Выявлено, что антропогенное влияние на криолитозону региона обуславливает локальную трансформацию экосистем.
Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 267 страниц, в том числе 41 рисунок, 41 таблица, состоит из введения, 6 глав, заключения. Список литературы содержит 276 работ, из них 21 на иностранных языках. На завершающем этапе автор пользовался советами и консультациями дгн. Н.А.Шполянской, дгн В.Л.Познанина, кг-мн Н.В.Тумель, кг-мн Г.Ф.Грависа, кг-мн Е.В.Шавриной; кбн. И.Н.Болотова, кгн И.А.Потапова.
Климат региона
Онего-Двинско-Мезенская равнина (ОДМР) расположена на севере Восточно-европейской равнины в северной подзоне тайги, лесотундре и южной тундре, в Северно-Западной и Двинско-Мезенской ландшафтных провинциях (Рихтер, 1946; Состояние..., 1995) (рисунок 1.1). В системе ландшафтно-экологического районирования России (Исаченко, 2001), исследуемый район расположен в Восточно-Европейском секторе, в субарктической зоне, в Канинско-Тиманской провинции, в тундровой подпровинции. На севере ОДМР омывается водами Белого моря. Большая протяженность с севера на юг и с запада на восток, близость Северного Ледовитого океана оказывают существенное влияние на формирование природных условий криолитозоны равнины. Административно, район работ входит в состав Архангельской - области (АО) и находится между 64 0(/ и 66 407 с.ш. и 3900 и 44 0(/ в.д. 1.1 Климат региона
Район исследования имеет умеренно-континентальный климат. Западные районы ОДМР подвержены воздействию циклонов осенью и зимой и атлантических воздушных масс, тогда как на востоке преобладает влияние континентального воздуха. Континентальность климата нарастает с запада на восток, что ведет к дифференциации физико-географических и геокриологических различий в районах (Справочник по климату, 1970; Агроклиматические..., 1971). Территория подвержена вторжениям арктических " воздушных масс, со стороны Карского моря, которые сопровождаются сухими северо-восточными ветрами. Со стороны Сибири зимой приходит антициклональная морозная и ясная погода. С юга и юго-востока поступают континентальные массы воздуха, охлажденные зимой и прогретые летом. Совокупность перечисленных факторов создает в исследуемом районе более суровые климатические условия в северных и, особенно в северо-восточных частях, более мягкие - в западных (Климат Архангельска, 1982). Рисунок 1.1 Положение исследуемого района в структуре физико-географического районирования Европейского Севера России по А.Г.Исаченко, (Состояние..., 1995).
Границы: а - зоны, б - подзоны, в - провинции, г - района исследования. - Зоны и подзоны: А - зона тундры и лесотундры (субарктическая) с подзонами (Ai - типичная тундра, Аг - южная тундра, А3 - лесотундра); Б - зона тайги с подзонами (Б] — северная тайга, Бг - средняя тайга). Ландшафтные провинции. Зона тундры и лесотундры: 1 - Кольская, 2 — Канинско-Тиманская. Зимой вхождение теплого и влажного атлантического воздуха сопровождается потеплениями, снегопадами, а при оттепелях иногда и дождями. Летом эти циклоны приносят прохладный влажный воздух, который вызывает понижение температуры, усиление облачности, выпадение дождей.
С октября по февраль «теплыми» ветрами, сопровождающимися повышением температуры, являются южные ветры и ветры западных направлений, а «холодными» - северо-восточные и восточные ветры. В январе ветры западных направлений вызывают потепление до -7,9, -9,5 С. Сильные похолодания отмечаются при штилях - до -17,7С, северо-восточных ветрах - до -15,1, -15,5 С. С марта по октябрь более теплая погода наблюдается при ветрах южных направлений, а наиболее холодная - при северных и северо-восточных ветрах. В июле средняя температура за дни с ветрами южных направлений составляет 17,6 - 19,2С, а при северных и северо-восточных ветрах понижается до 13,3 - 14,5С. В переходные сезоны при южных ветрах температура становится выше на 1,0 - 3,5С, а при северных и северо-восточных ветрах - на 1,5 - 3,0С ниже нормы данного месяца (Климат..., 1982).
На годовой ход среднемесячных сумм суммарной солнечной радиации влияет облачность, которая снижает месячные суммы радиации. Максимум радиации может смещаться с июня на июль. Годовая сумма суммарной солнечной радиации в Архангельске составляет 62% от возможной (Пивоварова, 1977). Увеличение облачности приводит к возрастанию доли рассеянной радиации и уменьшению прямой. Доля рассеянной радиации в умеренных широтах составляет около половины суммарной (50 - 55%) (Пивоварова, 1977). В период с ноября по февраль радиационный баланс на территории ОДМР отрицательный. Общее увеличение радиационного баланса наблюдается с марта по июнь. Среднегодовые температуры воздуха колеблются от -1,1 С (на севере области) до 1,5 С (на юге области) (Агроклиматический справочник..., 1961). Широкое распространение болотных массивов и озер и значительная залесенность территории Беломорско-Кулойского плато (БКП) сказывается на характере климата, обусловливая понижение температур воздуха. На испарение с поверхности болот и озер расход радиационной энергии в 3-4 раза больше, чем на нагревание подстилающей поверхности, лес же задерживая солнечные .. лучи, затеняя поверхность. На территории БКП испарение составляет 300 — 325 мм, уменьшаясь к северу (Гидрогеология СССР..., 1969).
История изучения многолетнемерзлых пород
Впервые многолетнемерзлые породы в районе Онего-Двинско-Мезенской равнины (ОДМР) и полуострова Канин изучал в 1837 г. А.И.Шренк, он отметил южную границу ММП, примерно на 65048 (Шренк, 1855). Г.ШЗильд (1882) опубликовал книгу «О температуре воздуха в Российской империи», где впервые рассмотрел вопросы формирования температурных закономерностей на Европейском Севере Российской империи. «Вечная мерзлота» - как остаток от последнего оледенения раскинулась по колоссальной площади Российской империи на территории свыше миллиарда десятин, заходя даже к югу от 50-й параллели (Известия Арх. Общ..., 1910). В начале XX века году вопрос о «вечной мерзлоте» стал играть важную роль в науке. В пределах Европейского Севера России первые сведения свидетельствовали о том, что мерзлота не представляет собой необычного явления, и что мелиорация способствует уменьшению ее влияния на растительный покров, и были освещены мелиоративными экспедициями И.Жилинского и Большезе-мельской экспедицией А.В.Журавского (1903-1907 гг.). А.СНорман (1909) в своей книге «Почему необходимо заселение Архангельской губернии» пишет о необходимости освоения криолитозоны на севере России. В 1910 г. В.С.Доктуровский пишет, что если сравнивать мерзлоту Амурского края и Европейского Севера России, то существует различие в климатических условиях этих территорий. Это одно из первых обращений к взаимосвязи изменений климата и мерзлоты (Доктуровский, 1910).
В 20-е годы XX века первыми геологическими исследованиями бассейнов рек Пинеги Кулоя, Мезени занимался М.Б.Едемский (1931), а в 30-е годы изу- " чение Зимнего берега Белого моря проводил Я.Зеккель (1939). Одна из первых научных работ по мерзлоте была написана Б.Н.Городковым (1932), где автор описал мерзлотные условия Европейского Севера России, и указал на принципиальное отличие генезиса мерзлоты на Европейском Севере России и в Сибири. В 1934 году Н.Г.Датским и Г.Ф.Писаревым опубликована работа (Датский, Писарев, 1934), где говорится, что «вечная» мерзлота района находится в состоянии деградации. Вопрос об этом впервые был поднят в 1931 году М.И.Сумгиным (Сумгин, 1932). Как было упомянуто выше, в районе г. Мезени в 1837 году А.И.Шренк наблюдал мерзлоту (Шренк, 1885), в 1932 году она в этом же районе не была обнаружена. Н.Г.Датским и Г.Ф.Писаревым в работе " (1934) был поднят вопрос о создании мерзлотной станции на Севере, с целью слежения за динамикой мерзлоты и климата. Впервые было высказано предложение о стационарных наблюдениях за мерзлотой, которые являются в настоящее время одним из основных геокриологических источников информации.
В начале 30-х гг. XX века была создана Комиссия по изучению вечной мерзлоты. В 1934 году южная граница мерзлоты на Европейском Севере России была отмечена на п-ове Канин, в районе г. Мезени и Пустозерске. Южная граница мерзлоты, определенная в 1931 году В.КЛновским проходила от г. Мезени, пересекая р. Печору около 6505/ с.ш., район от Усть-Усы (около 66 с.ш.) до р. Воркута (около 67 ЗО с.ш.) (Яновский, 1931). Работа Б.Н.Городкова (1934) внесла изменения в определении южной границы мерзлоты. Он проводил южную границу на пересечении ее р. Адзьва около 66 48 с.ш. и р. Усы около 66 277 с.ш., и не включил в область ее распространения полосу мерзлоты в торфяниках по крайним участкам мерзлого минерального субстрата там, где «вечная» мерзлота в торфяниках была повсеместной. Крайним же пределом вечной мерзлоты в северном крае он считал 66 с.ш. Крупнобугристые торфяники с мерзлотой, по Б.Н.Городкову (1934), служат признаком южного предела распространения «вечной» мерзлоты. Проводимая им граница мерзлоты по " южному пределу ее распространения проходит на полградуса севернее границы, принятой М.И.Сумгиным (Городков, 1934). Он проводил границу между районами спорадического и сплошного распространения мерзлоты, южнее линии от Хасседа-Вома, и дальше с пресечением р. Уса. Работы Н.Г.Датского и Г.Ф.Писарева не внесли изменений в положение южной границы мерзлоты по р. Уса (Датский, Писарев, 1932). По данным Б.Н.Городкова (1934), мерзлота была в долине р. Ижмы близ устья р. Лек-Леса-ю под 6433 с.ш. Н.Г.Датский (1937) указывал на процесс деградации южной границы - ММП- МИ.Сумгин первый высказал мысль о происхождении криолитозоны и предложил теорию ее аградационного и деградационного развития (Романовский, 1993). По определению М.И.Сумгина и Б.Н.Демчинского (1938) южная граница мерзлоты проходила от Белого моря несколько севернее г. Мезени и продолжается на восток, пересекая р. Печору. Выводы о деградации мерзлоты, сделанные на основании данных А.И.Шренка (1885) и исследований Н.Г.Датского (1937), являются, по мнению М.И.Сумгина, (1943), доказательством в пользу теории деградации ММП. Мы пришли к выводу, - писал Н.Г.Датский, - что торфяные мерзлые бугры являются островами «вечной» мерзлоты и их образование связано с процессом оттаивания мерзлоты и оседанием окружающей бугор дневной поверхности (Датский, 1937). Он писал, что мерзлота в Мезенском районе в 30-е годы XX века деградировала, и по итогам наблюдений в с. Семжа, писал, что здесь мы имеем случай деградации мерзлоты с повышением ее температуры до 0 , которая в дальнейшем, будет повышаться (Датский, 1937). Анализ распространения мерзлоты в Мезенском районе показывает, что лучше всего мерзлота сохранялась в сухих отмирающих торфяниках. Такие условия, благоприятствующие консервации мерзлоты, встречаются на болотах, расположенных вблизи насе " ленных пунктов, на дорогах, проходящих через торфяные болота, на окраинах болот, граничащих с реками, озерами (Датский, 1937). Эта зависимость теплопроводности торфяников от степени их разложения была выяснена В.Г.Горячкиным (1928) и С.Н.Тюремновым (1928), на нее указывали также В.Б.Шостакович (1932), Б.Н.Городков (1932). Говоря о деградации мерзлоты в районе г. Мезени М.И.Сумгин (1937) и Н.Г.Датский (1937) упускают из виду хозяйственное воздействие человека на природные условия - и весь упор переносят на изменение современного климата. Деградация, по их мнению, произошла в результате того, что средняя годо " вая температура воздуха в г. Мезени изменилась. За период с 1883 по 1915 г. она была -1,6, с 1916 по 1930 г. она стала - 0,6, то есть, поднялась на 1. М.А.Манько писал, что Н.Г.Датский истолковал данные с предвзятых позиций (Манько, 1947). Его исследования в районе г. Мезени дали результаты, ничем не отличающиеся от результатов Н.Г.Датского: мерзлоты в открытом, не прикрытом торфом грунте, нет. Зная точно местоположение скважины Н.Г.Датского, М.А.Манько в 1940 г. произвел повторные наблюдения. М.А.Манько, (1947) побывав в районе р. Мезени в 1940 г., описывает положе- ние южной границы тундры и мерзлоты на период 40-х годов XX века. В статье (1958) г. он рассматривает взгляды на эту проблему уже в свете обновления данных по этому району. Район Мезени известен как район с классическим примером деградации мерзлоты. «В Мезени - писал М.И.Сумгин, - за время от А.И.Шренка до наших дней мерзлота отступила на север на 100 км, т. е. по 0,5 км в год (Манько, 1958). В 1950-1955 г., в районе Мезенской тундры работали партии: 252, 253, 272, 273 пятого геологического управления, давшие описание существующих в тот период границ и охарактеризовавших распространение ММП. С начала 60-х годов XX века началась эпоха регулярных мерзлотных исследований, в том числе и на Европейском Севере. Криолитозона стала изучаться в различных аспектах.
Региональные изменения климата в последние 100-150 лет
Анализом взаимосвязей между климатом и криолитозоной занимались многие ученые МКБудыко, (1972, 1980), М.И.Будыко и др., (1991, 1993); А.А.Величко, В.П.Нечаев, (1992); М.К.Гаврилова, (1981), 1990; В.М.Котляков, (1983, 1986, 1994, 1997); А.В.Павлов (1997); А.В.Павлов, Г.ФГравис (2000); Н.А.Шполянская, (2000, 2001) и др. Изменения климата на Европейском Севере России освещено в работах Я.М.Гольника и др., (1997); Б.В.Ермолина, (1994); Климат Архангельска, 1982; Ю.Г.Шварцмана и др., (1997), С.В.Видякиной (2000). Изменения климата сказываются на динамике и криолитозоны и природ ных зон в целом. Так по данным В.В.Пахучего (1995) за 1960 и 1983 г. для Пе чоры отмечается локальное уменьшение тундровых и увеличение площади лес ных ландшафтов (таблица 4.1). Анализ границы лес-тундра, методом трансект широтного направления для района р. Койда (Мезенская тундра) от 6650 с.ш. до 6620 с.ш. по планам лесонасаждений Мезенского лесхоза за 1959-1960 г. и 1990 г. выделил слабое смещение границы за это время (таблицы 4.1,4.2). Для прогноза долговременных изменений климата и криолитозоны необходимо формирование базы данных об изменениях климата на Европейском -Севере России и на сопредельных территориях, а также сопоставление этих данных с данными геокриологических наблюдений. Мы предлагаем комплексный подход к анализу изменений климатических и геокриологических характеристик. Он состоит из этапов: 1) статистический анализ данных метеонаблюдений по температурам воздуха, почвы и атмосферным осадкам Европейского Севера России (ЕСР); 2) получение климатических характеристик для ЕСР по биосферным данным; 3) оценка изменений климата ЕСР на основе закономерностей зафиксированных инструментальными измерениями и отмечаемые в палеореконструкциях другими исследователями; 4) -прогнозирование изменений климатических характеристик, с учетом выявленных долгопериодных закономерностей; 5) выявление некоторых причинно-следственных связи между изменениями климата и криолитозоной. Взаимосвязи между отношением длины тундровых (х,град.) ландшафтов к длине трансеїст (у, %) и широтным положением трансект Лесхоз, положение территории в бассейне р. Койда Год лесоустройства Количество трансект Коэффициент корреляции Коэффициенты уравнения Широта трансекты (тундровый ландшафт на 55% длины), град Соотношение протяженности тундровых и лесных ландшафтов на трансектах широтного направления в Мезенской тундре, (1959 и 1960 г.) Протяженность тундровых и лесных ландшафтов соответствует 100% (Пахучий, 1995) Год лесоустройства № тран секты Правобережная часть бассейна р. Койда Левобережная часть бассейна р. Койда протяженность, км Отношение протяженноститундровых ландшафтов кдлине трансекты, % протяженность, км Отношение протяженности тундровых ландшафтов к длине трансекты, % трансекты Тундровых ландшафтов на трансекте трансекты Тундровых ландшафтов на Если рассматривать изменения температуры воздуха в регионе, то осред-ненный по десятилетиям этот показатель, по данным Г.В.Ананьевой и др., (2002); Shvartsman, Barzut, ._. Среднегодовая температура воздуха, норма составляет 0,8С. Для того чтобы исключить влияние экстремальных отклонений температуры от среднемно-голетних, чаще всего рассчитываются средние скользящие 10-летние значения температуры воздуха (Ананьева и др., 2002; Шполянская, 2000). Многолетний ход температуры воздуха (tB) по метеостанции г. Архангельска (Ананьева и др., 2002), и на севере западной Сибири (Шполянская, 2001) хорошо показывают потепление 30-х годов, похолодание 60-х и потепление 90-х годов XX века.
Анализ значений температур воздуха за 1901-1990 гг. по метеостанциям Европейского Севера России: Кемь, Архангельск, Троицко-Печерское, Шен . курск, . Сыктывкар, Тотьма, Санкт-Петербург, Вологда, Киров, Бисер (Shvartsman, Barzut, Vidyakina, Iglovsky, 1999; Видякина, 2000) показывает: Осреднение годовых значений температур воздуха по 10-летиям, показало потепление с начала века, с кульминацией в 30-е годы; и последующие периоды похолодании (40-е и 60-е) и потеплении (в 50-е, 70 — 80-е годы) относительно многолетних средних, что несколько отличается от изменений происходящих в Западной Сибири. Изменения температур во времени сходны для всех станций на изучаемой территории. Анализ повышения температур в течение периодов 1961-1990 гг., 1901-1940 гг. и стандартных ошибок для периода 1901-1990 гг. .. (таблицаA3) показал, что статистически повышения температур находились в пределах ошибок. Для повышения температур в начале века характерна широтная зависимость, а для температур с 1961 по 1990 гг. такой зависимости не прослеживается. Для Архангельска превышение среднего значения за 30-е годы относительно 80-х соответствует 0,85 С. Теплый период 30-х годов выражен на станциях до широты г. Шенкурска (зона талых пород), южнее наиболее теплые зимы приходятся на 70-е и 80-е годы, холодное десятилетие в 60-е годы характер 104 но для всех станций. Теплые периоды соответствуют среднегодовым десятилетиям. По весенним температурам выделились, самые теплые 70-е и 80-е годы для всех станций. Увеличение температур характерно для всей изучаемой территории, особенно с холодного периода 40-50-х годов и с 60-х. По летним температурам "фиксируется повышение на всех станциях в 30-е, 50-е годы, а снижение температур в десятилетия 40-х и 60-х годов. Изменения осенних температур выделяют для всех станций теплые десятилетия 20-х и 30-х, 60-х, 80-х гг. Межгодовая вариация значений температур большая, поэтому, используя большие.периоды осреднения лучше оценить тренды. Таблица 4.3 Повышения средних годовых температур воздуха в направлении юг (Бисер) - север (Мурманск) (Видякина, 2000) Исследовались 30-летние средние для периодов 1931-1960 гг. и 1961-1990 гг. Анализ среднегодовых температур показывает совпадение теплых и холодных лет для изучаемой территории. Холодными годами были 1902, 1941, 1969, 1985, наиболее теплыми 1934, 1936, 1938, 1974, 1975, 1981 и 1989. Несколько холодных лет соответствуют периодам начала 40-х, концу 60-х и второй половине 70-х. Вьщеляются теплый период 30-х по всем станциям и три теплых года в конце 80-х годов XX века. 105 Характеризуя климат полуострова Канин можно сказать, что он определяется как положением в высоких широтах, так и морским окружением. С приближением к морским-тюбережьям годовой ход температур сглаживается и климат становится менее континентальным. Для полуострова характерен непродолжительный (до 40-60 дней) период с устойчивыми среднесуточными температурами воздуха выше 10С. Среднегодовая температура в районе Неси по многолетним данным составляет -1,4С (1951-2001 гг.). Тренд с пятилетним осреднением (рис. 4.1 А) показывает процессы снижения среднегодовых температур воздуха в периоды 1951-1970,1971-1985 и 1996 "2000 гг. и их роста в 1971-1975 и 1986-1995 гг.. Десятилетнее осреднение (рис. 4.1 Б) четко показывает сравнительно теплые 50-е гг., похолодание в 60-е гг. и потепление в 70-е гг. Последнее сменилось постепенным снижением среднегодовых температур воздуха вплоть до последнего десятилетия XX в.. Таким образом, для Канина не прослеживается тренд повышения температур воздуха после 70-х годов, характерный для ряда других территорий Европейского Севера России — например, Архангельской, Вологодской, Кировской областей и Республики Коми (Shvartsman, Barzut, Vidyakina, Iglovsky, 1999; Видякина, 2000). Однако данный факт не является исключением, поскольку аналогичная тенденция в целом характерна для арктических районов Евразии. Причины нивелирования глобального тренда роста среднегодовых температур после 70-х гг. в высокоширотных регионах Северного полушария, вероятно, связаны со термостабилизирующим влиянием сильно охлажденных вод Северного Ледовитого океана и его окраинных морей, сглаживающим изменения температур воздуха, а также интенсивным воздействием арктических воздушных масс. Летом 2002 г. исследована сезонная динамика температуры грунтов на плоскобугристом болоте ключевого участка Несь (рис. 4.2 А, Б). Установлено, что температура грунтов на глубинах 0,15 и 0,3 м довольно стабильна, и реагирует на изменения температуры на поверхности с некоторой задержкой, которая составляет от 2 до 4 суток.
Лед в карстовых пещерах
При анализе особенностей формирования и развития пещерно-карстовых льдов в зоне талых пород с CMC в юго-восточной части Беломорско Кулойского плато рассмотрены особенности генезиса, морфологии, химического состава и пространственно-временных проявлений, антропогенные воздействия. Интересна роль многолетних ледяных образований в повышении устойчивости карстового массива, некоторые специфические криогенные формы и тенденции их развития в условиях талых горных пород с сезонно-мерзлым слоем. Лед в карстовых пещерах Ледяные образования пещер (условия образования, причины формирования, морфогенез и локализация, тенденции развития, химический состав). Прежде - чем перейти к исследованиям подземного пещерно-карстового льда, определим некоторые понятия. Льдом называют мономинеральную горную породу, состоящую из воды в твердой фазе (Гляциологический словарь, 1984). Различают классы конжеляционного (в т.ч. льды карстовых полостей, включающие следующие типы: натечный, водоемов), осадочно-метаморфического (в т.ч. льды карстовых полостей, включающие типы: осадочный, метаморфический) и сублимационного льда (Дублянский, Андрейчук, 1991, цит. по Дмитриев, 1980). Пещерный лед является разновидностью пещерно-жильного льда (Шумский, 1955). По классификации (Рекомендации..., 1969; Втюрин, 1983) пещерный лед относится к вторичному внутригрунтовому (залежеобразующему) льду и представляет собой продукт кристализации вод и водных паров в трещинах и пустотах мерзлых грунтов. Для юго-востока Беломорско-Кулойского плато, по генезису различают следующие виды пещерно-карстового льда: натечный (кора обледенения), ка-пельно-натечный (сталактиты, сталагмиты, сталагнати), снежно-водяной (пещерный), и сублимационный (пещерная изморозь).
Под пещерной наледью мы понимаем крупное, смешанное по генезису скопление пещерно-карстового льда, иногда обладающее самостоятельным движением, образующееся в результате послойного намораживания воды. Под ледяной пещерой понимают карстовую пещеру, в которой стены, потолок и дно покрыты ледяными образованьями, а температура круглый год близка к нулю или ниже его (Дублянский, Андрейчук, 1991). Под сталагмитом (натечно-капельное образования в виде конуса, растущее с пола пещеры-ледника, навстречу ледяному сталактиту) понимается образование, возникающее на дне пещер при разбрызгивании, иногда испарении капель воды падающих со свода (Дублянский, Андрейчук, 1991, цит. по Hill, Forti, 1986). Сталактит — образование, возникающее на сводах и стенах пещер при дегазации, иногда испарении воды, фильтрующейся через трещины (Дублянский, Андрейчук, 1991). Сталагнат - натечно-капельное образование в виде колонны, возникающее при срастании сталактитов и сталагмитов (Дублянский, Андрейчук, 1991). Под карстовым ландшафтом вслед за В.Н.Дублянским, В.Н.Андрейчуком (1991) мы понимаем разновидность литогенного ландшафта, возникающего при поверхностном или близком к поверхности залегании легкорастворимых пород. Под зоной вертикально-нисходящей циркуляции (ЗВНЦ) мы вслед за Г.А.Максимовичем понимаем движение карстовых вод по вертикальным трещинам в период выпадения осадков и таянии снега, а под зоной горизонтальной циркуляции (ЗГЦ) (1963) - зону горизонтального движения постоянно существующих карстовых вод. Распространение ледяных пещер на территории России по данным Б;Р.Мавлюдова (1985, 1987, 1988, 1989, 1996) обобщено в Атласе снежно-ледовых ресурсов Мира (1997). Однако мелкий масштаб карты не в полной мере позволил отобразить все разнообразие ледяных пещер России. Обменные процессы, происходящие в пещерах, включают растворение и переотложение веществ, размыв, транспорт и аккумуляцию вторичных заполнителей, падение разрушенных остатков пещер, изменения микроклимата пещер и характера подземных многолетних и сезонных ледяных образований. В настоящее время на эти процессы накладывается антропогенное влияние. Оно в 145 -геометрической прогрессии убыстряет ход процессов, что может привести к необратимым отрицательным последствиям. При этом возможны нарушения гомеостаза пещерной системы. В равном соотношении здесь проявляется воздействие как естественных, так и антропогенных факторов. Уязвимость пещер связана с неотектонической раздробленностью массива карстующихся пород. Помимо обвалов, закрытия входов в полости, фиксируются проявления «карстовой тектоники» - локальные смещения пластов, их разрывы или пластические деформации, связанные с обрушением пещерных ходов. Это характерно как для ледяных пещер района, так и для пещер не имеющих льда. . Виды и зоны образования льда. По характеру питания можно выделить ат-могенные (сублимационные), конжеляционные (наиболее распространенные) и метаморфические льды. Среди зон образования пещерных льдов, зона вертикально-нисходящей циркуляции является преобладающей по количеству видов льдов, а в зоне атмогенной (сублимационной) кристаллизации, их количество наименьшее (таблица 5.1), что обусловлено особенностями температурного режима этих зон и отмечалось исследователями пещер (Шаврина, 2000; Шаврина, Малков, 2000). Типичными формами льда пещер, исследуемых автором диссертации, яв ляются ледяные кристаллы, коры, сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, покровные льды, подземные наледи, жильные ледяные тела, пробки, экраны. В исследуемых пещерах встречаются льды-цементы, сегрегационные кристаллы, образующие полигональные формы - шлиры в переувлажненном заполнителе. А при выдавливании - инъекционные формы кристаллов (таблица 5.1) (Малков и др., 2001). Многообразие видов .пещерно-карстовых льдов обусловлено различным воздействием воды на карстовый массив, а расположение тех или иных видов ледяных образований связана с локальным воздействием на тот или иной уча сток карстового массива охлажденного воздуха, что отражается на формирования вида пещерно-карстового льда. 146 Таблица 5.1 Виды, место и зоны образования пещерно-карстовых льдов Голубинского карстового заказника (юго-восток Беломорско-Кулойского плато) с использованием данных (Шаврина, 2000; Игловский и др., 2000; Малков и др., 2001) Виды пещерно-карстовых льдов Место формирования льдов Зоны образования льдов ЗВНЦ ЗГЦ ЗАК Сталактиты — В зонах вертикальной трещиноватости + - — Сталагмиты .--- + -- Сталагнаты — + -- - Жилы Жилы Пол, стены, своды + + Пробки Входы и пережимы Покровы — Пол, стены, своды - + Пластовые тела — Прибортовые и привходовые зоны + + Наледи Занавесы Прибортовые и привходовые зоны + + - Драпировки Прибортовые и привходовые зоны Экраны Перед водопадами: Потоки Прибортовые и привходовые зоны - + - Кристаллы Листовидные Своды, стены, отложения пещер, сталактиты, сталагмиты - + Пирамидальные Прямоугольно-пластинчатые Игольчатые Папоротниковидные Коры Доломит - - + Озерный лед и лед водоемов Ледяные мосты (висячие пласты льда) Поверхность водоемов и озер - + Торосы
Похожие диссертации на Особенности геоэкологического состояния криолитозоны Онего-Двинско-Мезенской равнины и полуострова Канин
