Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные проблемы изучения криогенного микрорельефа 15
1.1. Терминологические вопросы 15
1.2. Изученность условий формирования, механизмов и процессов развития криогенного микрорельефа 19
1.3. Вопросы классификации криогенного микрорельефа 21
1.4. Методы исследований криогенного микрорельефа 24
1.5. Современная динамика форм 28
Глава 2. Природные условия и факторы формирования криогенного микрорельефа 30
2.1. Геологическое строение 30
2.1 .А. Скальный субстрат 30
2.1 .Б. Элювиальные отложения 33
2.1.В. Склоновые отложения 35
2.1 .Г. Ледниковые отложения 35
2.1 .Д. Озерные отложения 36
2.2. Геоморфологическое строение 37
2.2.А. Высоты 39
2.2.Б. Уклоны 39
2.2.В. Экспозиция 40
2.3. Климатические условия 41
2.3.А. Температура воздуха 42
2.З.Б. Температура грунта 42
2.З.В. Количество осадков 43
2.4. Геокриологическое строение 45
2.4.А. Многолетнемерзлые породы 46
2.4.Б. Сезонно-мерзлые породы 51
2.5. Дерново-растительный покров 53
2.5.А. Влияние на тепловой режим грунтов 56
2.5.Б. Влияние на форму проявления криогенных процессов 56
2.5.В. Причина возникновения криогенного микрорельефа 56
2.6. Влияние животного мира 57
2.6.А. Мелкие роющие млекопитающие (грызуны) 57
2.6.Б. Крупные роющие млекопитающие 58
Глава 3. Процессы развития криогенного микрорельефа 60
3.1. Механизмы развития криогенных процессов 60
3.1 .А. Расширение-сжатие 61
3.1.Б. Миграция влаги 62
3.1.В. Выветривание 62
З.1.Г. Гравитационное смещение 62
3.2. Криогенные процессы 63
3.2.А.Растрескивание 63
З.2.Б. Пучение 67
З.2.В. Вымораживание 67
З.2.Г. Солифлюкция 68
З.2.Д. Десерпция 69
Глава 4. Формы криогенного микрорельефа 72
4.1. Изометричные формы 74
1.1. Мелкие изометричные формы 75
1.1.А. Мелкие полигоны 75
1.1.В. Мелкие медальоны 78
1.1.Г. Мелкие бугорки, или кочки 77
1.2. Средние изометричные формы 79
1.2.А. Средние полигоны 79
1.2.Б. Средние кольца 87
1.2.В. Средние медальоны 90
1.2.Г. Средние бугорки 99
1.3. Крупные изометричные формы 100
1.3.А. Крупные полигоны 100
1.З.Б. Крупные кольца 105
1.3.В. Крупные медальоны 106
1.3.Г. Крупные бугорки 107
4.2. Ступенчатые формы 110
2.1. Мелкие ступенчатые формы 111
2.1 .А. Мелкие гирлянды 111
2.1.В. Мелкие ступени с задернованным уступом 111
2.1.Г. Мелкие целиком задернованные ступени 112
2.2. Средние ступенчатые формы 112
2.2.А. Средние гирлянды 112
2.2.В. Средние ступени с задернованным уступом 114
2.2.Г. Средние целиком задернованные ступени 118
2.3. Крупные ступенчатые формы 120
2.З.А. Крупные гирлянды 121
2.З.В. Крупные ступени с задернованным уступом 122
2.З.Г. Крупные целиком задернованные ступени 122
4.3. Линейные формы 126
3.1. Мелкие линейные формы 127
З.1.А. Мелкие оголенные полосы, или «пашни» 128
3.2. Средние линейные формы 130
З.2.А. Средние оголенные полосы, или «пашни» 131
З.2.Б. Средние полосы с задернованными лентами, или «ручьи» 131
3.2.В. Средние полосы с задернованными бордюрами 133
З.2.Г. Средние задернованные полосы 135
3.3. Крупные линейные формы 136
З.З.А. Крупные оголенные полосы, или «пашни» 136
З.З.Б. Крупные полосы с задернованными лентами, или «ручьи» 136
З.З.В. Крупные полосы с задернованными бордюрами 138
З.З.Г. Крупные задернованные полосы 139
Глава 5. Эволюция криогенного микрорельефа 143
5.1. Закономерности пространственного распределения 143
5.2. Стадийное развитие 147
5.2.1. Изометричные формы 147
5.2.2. Ступенчатые формы 155
5.2.3. Линейные формы 156
5.3. Цикличность развития 157
5.4. Возраст 159
Заключение 161
Список литературы 163
Приложения 169
- Методы исследований криогенного микрорельефа
- Десерпция
- Средние ступени с задернованным уступом
- Изометричные формы
Введение к работе
Актуальность темы и степень ее разработанности
Повсеместно в северных районах распространены многообразные формы рельефа небольшого размера. Трещины, пятна обнажённого грунта, бордюры, валики, бугорки, полосы и уступы образуют ячейки, покрывающие тундру более или менее равномерной сетью. Мозаичность природных условий обусловливает большое разнообразие и неравномерное распределение этих форм в разных районах Земли. Горы Субарктики расположены в областях распространения островной многолетней и сезонной мерзлоты, сочетания различных по составу, строению и происхождению скальных пород и рыхлых отложений, неоднородных региональных и локальных климатических условий и чутко реагируют даже на незначительные изменения природной обстановки. Их фокусом становятся, в первую очередь, самые мелкие формы рельефа, среди которых здесь преобладают криогенные образования.
Объект исследования - криогенный микрорельеф (КМ) - это комплекс разнообразных форм, образующихся в криолитозоне в ходе попеременного промерзания-протаивания насыщенных водой грунтовых масс с различным содержанием тонкого и грубого обломочного материала, включающий неровности с плановыми размерами от дециметров до первых метров и высотами от нескольких сантиметров до 1-3 м (Тимофеев, Втюрина, 1983; Мудров, 2007).
Термин «КМ» употребляется как устоявшееся смысловое понятие и не соответствует по размерам классификациям рельефа (Щукин, 1980; Рычагов, 2006; Болысов, 2006), т.к. охватывает формы размерности не только микро-, но и нанорельефа. Эпитеты «криогенный» и «мерзлотный» в данном случае - синонимы (Тимофеев, Втюрина, 1983). КМ - не только характерный признак субарктических гор, но и важный индикатор меняющихся в пространстве и времени природных условий. Его развитие и распространение воздействуют на формирование несомкнутого растительного покрова и жизнедеятельность обитателей тундры.
Поэтому предметом нашего исследования стали взаимоотношения КМ гор Субарктики с разными природными факторами, динамика и связи его форм между собой в пространстве и во времени.
По определению, КМ формируется преимущественно криогенными процессами (КП). Ряд процессов иной природы (биогенной, гравитационной, эоловой и т.д.) обусловливают конкретные особенности его облика, вызывая стабильное развитие или, напротив, деградацию форм. Традиционно считается, что на субгоризонтальных поверхностях КМ возникает благодаря полигональному растрескиванию и пучению, тогда как на склонах ведущую роль в рельефообразовании играют медленные (солифлюкционно-десерпционные) смещения грунта.
Морфология и строение, механизмы образования и развития КМ исследуются уже более ста лет. В ходе полевых и стационарных наблюдений, экспериментального моделирования КП
накоплен богатый фактический материал. Несмотря на это, многие детали жизни КМ до сих пор дискуссионны. Требуют решения вопросы его эволюции, закономерностей распространения и динамики, выделения основных факторов рельефообразования. Отсутствие единой морфолитогенетической классификации и множество схожих терминов затрудняют выявление особенностей развития КМ и использование его форм в качестве индикационного признака состояния ландшафтов. Необходимы создание сети стационаров для изучения КМ и выработка методических принципов документирования, описания и наблюдения его форм.
Особенно актуально сейчас определение возраста, стадий и тенденций развития КМ, методика чего ещё недостаточно разработана. Пространственно-временной анализ распространения КМ открывает физическую суть создающих его процессов, даёт ключ к оценке интенсивности его современного преобразования и прогнозированию его развития.
Цель работы - выявление пространственно-временных закономерностей формирования и развития КМ в разных сочетаниях природных условий гор Субарктики.
Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
оценка современной изученности КМ, выявление дискуссионных вопросов и проблем, анализ имеющихся классификаций и выбор системы терминов;
характеристика природных условий (геологического и геоморфологического строения, климата, мерзлоты, растительности и животного мира) горных районов, выявление их типичных для формирования КМ сочетаний и сопоставление влияния региональных и локальных особенностей на его развитие;
выявление ведущих механизмов формирования КМ и рельефообразующих процессов;
- характеристика вещественного состава слагающих КМ отложений, внешних
параметров и внутреннего строения форм;
анализ закономерностей географического распространения, динамики и возраста КМ;
реконструкция основных этапов эволюции КМ. Научная новизна работы
-
Установлено, что ведущую роль в дифференциации КМ играют сочетания локальных геоморфологических условий (уклона, экспозиции и высоты), состава субстрата, степени увлажнения и покрытия дерниной конкретного участка. Выделены наборы этих характеристик, благоприятные для возникновения разных типов форм;
-
Выявлены региональные закономерности распространения форм КМ на вершинных поверхностях, склонах и в днищах долин, обладающих типичными комбинациями природных условий;
-
На основе морфологической классификации А.Л. Уошберна (1988) проведена детальная морфолитогенетическая типизация форм КМ;
-
Выявлены стадии и морфогенетические ряды развития форм КМ в различных сочетаниях природных условий;
-
Установлено, что разнообразие облика КМ обусловлено большим количеством переходных форм от одного типа к другому, что свидетельствует об их общности и генетическом родстве;
-
Выявлена ведущая роль процессов саморазвития форм, которые в соответствии с начальными условиями их образования определяют стадийность и цикличность эволюции КМ.
Защищаемые положения
1. Разнообразные формы КМ гор Субарктики разделены на три основных типа по
формам ячеек в плане и профиле: изометричный, ступенчатый и линейный, каждый из которых
дифференцируется по морфологическим, структурным и вещественным параметрам (размеры в
плане, форма поперечного профиля, сортировка и гранулометрический состав грунта).
2. Выделенные типы, подтипы и группы генетически едины и непрерывно
трансформируются в пространстве и времени при изменении сочетаний локальных условий
(геоморфологического строения, состава пород, степени увлажнения и покрытия дерниной),
определяющих термический режим грунтов.
-
Каждый тип и подтип КМ проходит в своем развитии несколько стадий: роста, когда значительно меняются внешний облик и внутренняя структура грунта; стабильного функционирования, когда формы сохраняют облик и структуру, но увеличивают превышения и, реже, плановые размеры; деградации, когда формы разрушаются, вначале теряя морфологическую выраженность, а затем и внутреннюю структуру.
-
Длительность каждой стадии - несколько сотен лет. Они закономерно сменяют друг друга во времени, образуя генетические ряды эволюции. Направление развития КМ при его возникновении определяется сочетанием начальных условий, а затем - процессами саморазвития форм вследствие локального перераспределения тепла и влаги при появлении микроповышений и микропонижений. Вторичная дифференциация локальных условий обусловливает цикличность развития форм КМ.
Районы исследований
Субарктический пояс обрамляет северную и северо-восточную окраины материков северного полушария (от Мурманска до Камчатки в Евразии), располагаясь между 67-73 и 60-65 с.ш. (Григорьев, 1956). В зарубежной литературе ему соответствует субполярная (перигляциальная) зона, характеризующаяся отрицательными среднегодовыми температурами (Уошберн, 1988). В Субарктике преобладают низко- (до 1000 м) и средневысотные (до 2500 м) горы с платообразными вершинными поверхностями различных уровней. Их КМ существенно отличается от распространенного на обширных низменных равнинах Севера и в высокогорьях
умеренного и тропического поясов. В качестве опорных участков автор выбрал расположенные в различных районах Евразии горные территории с суровым климатом, островным или прерывистым развитием многолетней мерзлоты, глубоким сезонным промерзанием-протаиванием пород и несомкнутым растительным покровом.
Первый участок на Кольском п-ове включает низкогорные массивы Хибинских и Ловозерских тундр, Монче- и Чуна-тундр, а также участок низменного (<200 м) Баренцевоморского побережья, по особенностям климата, растительности и субстрата сходный с субарктическими низкогорьями. Второй - низкогорья и среднегорья Приполярного (район г. Народной, хр. Малдынырд) и Полярного (массив Рай-Из) Урала. Третий - среднегорья Срединного хр. Камчатки (массив Уксичан) - расположен далеко к югу от Северного полярного круга, но сочетание климата, высот и растительности позволяет относить его к субарктическим районам (Григорьев, 1956).
Фактический материал и методы исследования
Основу работы составили полевые материалы, полученные автором в ходе 17 летних, осенних и зимних экспедиций 2006-2012 гг.. Анализ литературных источников, содержащих богатый фактический материал, дал дополнительную информацию об особенностях развития КМ в конкретных районах и природных обстановках.
На полевом этапе (>1000 км пеших маршрутов, -500 точек наблюдения) описаны сотни форм КМ; задокументированы их морфометрические, морфографические и вещественные параметры; особенности увлажнения, задернованности, положения в мезорельефе. Проведены площадная крупномасштабная съемка КМ на характерных участках и описание по профилям на склонах, вершинных поверхностях плато и в днищах долин (15 профилей длиной от 1 до 6 км) для выявления различий КМ в разных высотных уровнях и грунтах, термических условиях, увлажнении, экспозиции. Для изучения скоростей перемещения материала в толще натечных террасок организован стационар в долине Юкспоррйока в Хибинах. На ключевых участках типичные формы вскрыты шурфами (>50 выработок), сфотографированы и зарисованы плановые очертания и строение разрезов, отобраны пробы грунта на разные виды анализов.
Автором проведен гранулометрический анализ (90 образцов) в лаборатории кафедры геоморфологии и палеогеографии географического факультета МГУ. Валовый химический анализ водной вытяжки выполнен грунтовой лабораторией ОАО «Фундаментпроект», радиоуглеродное датирование органического материала - лабораторией геохимии изотопов и геохронологии Геологического института (ГИН) РАН.
Составлены сводные таблицы параметров форм для основных типов КМ. Проведено их сравнение по районам, а в их пределах - по особенностям мезорельефа и грунтов. Построены диаграммы распределения параметров форм и условий их развития, выделены типичные для
них интервалы. На их основе построен ряд крупномасштабных карт (1:25000), отражающих мозаичность распространения форм КМ в пределах выделенных интервалов высот и уклонов. Распределение групп КМ внутри геоморфологических комплексов отражено на геолого-геоморфологических профилях.
Личный вклад автора
Автор выполнял все виды полевых работ: маршрутные наблюдения, геоморфологическую съёмку, описания разрезов, отбор образцов грунта, лично провел гранулометрический анализ и интерпретировал его результаты. Автор обобщил фактический материал многочисленных литературных и фондовых источников по морфологии, строению и распространению КМ, составил все текстовые и графические материалы, включающие оригинальные схемы, карты, профили, фотографии, таблицы и диаграммы.
Теоретическая и практическая значимость
Основные закономерности мерзлотного преобразования тундровых и горно-пустынных ландшафтов невозможно понять без знаний о факторах, механизмах и создающих КМ процессах, без выделения ведущих и менее значимых в каждом конкретном случае агентов рельефообразования. Чувствительные к изменениям локальных и региональных природных условий формы КМ отражают состояние тундровых ландшафтов в целом и выявляют наиболее подверженные современным процессам участки. Анализ их распространения обогащает представления о закономерностях функционирования тундровых сообществ - среды обитания многих видов растений и животных. Определение современной активности и возраста криогенных микроформ повышает точность палеогеографических реконструкций, т.к. способствует выявлению этапов активного воздействия и затухания криогенных факторов. Подробная морфогенетическая типизация КМ позволяет выявлять взаимосвязи криогенных форм в пространстве и времени, подчеркивает различия в происхождении форм и важна как основа в проведении дальнейших более детальных исследований КМ.
Знания о природе и динамике КМ весьма важны как при проведении природоохранных мероприятий, что особенно актуально при усиливающемся освоении Севера, так и при выборе площадок при проектировании и строительстве хозяйственных объектов. Недостаточный учёт особенностей КМ не только приводит к ухудшению экологических условий обитания птиц, грызунов и почвенной фауны, но увеличивает затраты на возведение и эксплуатацию инженерных сооружений за счёт удорожания рекультивационных мероприятий. Изучение КМ как существенной характеристики биотопов - важная составляющая проектно-изыскательских и мониторинговых работ при проектировании и функционировании особо охраняемых природных территорий в Субарктике, а также при подготовке сельскохозяйственных
мероприятий (например, подборе площадок под зимние и летние оленьи пастбища, сенокосы, участки выпаса лошадей и/или крупного рогатого скота).
Результаты исследований широко используются при проведении учебной практики студентов 2-го курса кафедры геоморфологии и палеогеографии на Кольском п-ове, а также отражены в производственных отчётах, подготовленных при проектировании подводного перехода магистрального газопровода северные районы Тюменской области (СРТО) - Торжок через Байдарацкую губу и его строительном мониторинге в Ленинградской области, а также используются национальным парком «Югыд-Ва» при проектировании экологических троп и в научно-просветительской деятельности.
Степень достоверности и апробация результатов исследования
Достоверность проведённого исследования подтверждается содержащимся в работе обширным фактическим материалом, собранным лично автором в ходе семилетних полевых работ в разных районах Субарктики. Впервые широко использованы гранулометрический и химический анализы состава субстрата, организован стационар для измерения скорости склоновых процессов в Хибинских горах. Обработан и проанализирован большой массив морфометрических данных о формах и условиях формирования КМ, выделены наиболее типичные интервалы значений для разных типов и групп КМ.
По результатам работы был подготовлен ряд выступлений на международных научных конференциях «Ломоносов» (МГУ, 2007-2009 гг.), Всероссийской конференции «VI Щукинские чтения» (Москва, 2010), Международной конференции «Polar Worlds» (Париж, Франция, 2011), Международном полевом симпозиуме «Late Pleistocene Glacigenic Deposits from the Central Part of the Scandinavian Ice Sheet to Younger Dryas End Moraine Zone» (Рованиеми, Финляндия, 2011), Всероссийской научной конференции с международным участием «Рельеф и экзогенные процессы гор» (Иркутск, 2011) и научном семинаре кафедры гляциологии и криолитологии географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2012). Также материалы исследований изложены в устных и стендовых докладах на международных конференциях «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов» (Тюмень, 2008), VIII Всероссийской конференции «Природа шельфа и островов Российской Арктики» (Мурманск, 2008), XLII Тектоническом совещании (Москва, 2009), «International Polar Year Oslo Science Conference» (Осло, Норвегия, 2010), IV конференции геокриологов России (Москва, 2011), VII Всероссийском совещании по изучению четвертичного периода (Апатиты, 2011).
По теме диссертации 2 статьи опубликованы в журнале из списка ВАК (Криосфера земли), а также опубликованы 4 статьи и 8 тезисов докладов в материалах конференций.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и
приложения. Общий объем работы 168 страниц текста, включающего 105 рисунков, 16 таблиц и 6 приложений. Список использованной литературы насчитывает 141 публикаций, в том числе 14 - на иностранных языках.
Диссертационная работа выполнена на кафедре геоморфологии и палеогеографии географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю в.н.с. кафедры геоморфологии и палеогеографии, к.г.н. Ф. А. Романенко за его внимание, помощь в проведении полевых работ и рекомендации при подготовке настоящей работы. Автор признательна профессорам кафедры геоморфологии и палеогеографии А.А. Лукашову, СИ. Болысову, А.В. Бредихину за ценные советы в работе над диссертацией; начальнику Хибинской учебно-научной станции (ХУНС) С.К. Коняеву и всем ее сотрудникам; в.н.с. ГИН РАН, д.г-м.н. М.М Певзнер за организацию полевых работ на плато Уксичан (п-ов Камчатка) и радиоуглеродное датирование образцов. Автор благодарит Е.Д. Шеремецкую за обучение и помощь в проведении лабораторных гранулометрических исследований, к.г.н. Л.Е. Ефимову за помощь в обработке результатов химического анализа, к.г.н. Ю.Р. Беляева, А.С. Булочникову, О.В. Кокина, Е.А. Константинова, Ю.С. Кузнецову, A.M. Тарбееву, О.С. Шилову, аспирантов кафедры геоморфологии и палеогеографии А.Л. Гуринова, Н.И. Косевич, Е.С. Курбатову, Н.Г. Новикову, Е.А. Токареву и А.В. Баранскую (СПбГУ), выпускников кафедры А.А. Чеснокову, В.В. Филиппова, О.М. Фомкину, О.Л. Петрова, географического факультета Е.А. Буторину, И. Тимофеева и исторического факультета МГУ Р.И. Нечушкина, сотрудников НИЛ Геоэкологии Севера МГУ ДЕ. Кузнецова и В.В. Архипова, ИВиС ДВО РАН Е.А. Кравчуновскую за
дружескую и профессиональную поддержку и участие в разных полевых этапах, а также за предоставление фото- и картографических материалов.
Методы исследований криогенного микрорельефа
Для изучения морфологии, внутреннего строения и распространения КМ применен комплекс полевых и камеральных методов. Подробно описаны сотни форм КМ (рис. 1.2а); задокументированы их морфометрические (диаметр, ширина, длина, превышения и уклоны элементов микрорельефа: центров ячеек, бордюров, полос, валиков, уступов), морфографические (форма в плане и профиле, выраженность в рельефе) и вещественные (гранулометрический состав материала, слагающего элементы форм, их задернованность) характеристики; особенности увлажнения, задернованности и положение в мезорельефе участков с КМ (абсолютная высота, уклон, экспозиция и тип поверхности, плотность форм). Каждое полевое описание сопровождено фотографиями и зарисовками.
Описания проводились в характерных точках, по маршрутам, строго заданным профилям и детальнее на ключевых участках. В Хибинских и Ловозерских тундрах, на Приполярном Урале проведена площадная съемка КМ. Во всех районах, включая Срединный хр. Камчатки, профилями на вершинных поверхностях плато, склонах и в днищах долин выявлены различия КМ на разных высотных уровнях, грунтах, при разных термических условиях и увлажнении. На ключевых участках типичные формы КМ вскрыты канавами и шурфами (рис. 1.26), в которых изучены их поперечные и продольные разрезы и состав слагающих отложений. Их строения обнаруживает различия структуры внешне схожих форм, развивающихся в разных геоморфологических позициях. Плановые очертания форм и стенки разрезов сфотографированы и зарисованы. Собранный массив качественных и количественных параметров конкретных форм характеризует как площадное распространение различных типов КМ, так и особенности их распределения с высотой, уклоном, экспозицией и т.д.
Пространственная фиксация маршрутных наблюдений осуществлялась с помощью портативных GPS-приемников Garmin. При организации стационара съемка велась лазерным электронным тахеометром Leica TPS 1205 в отражательном режиме на стандартную призму Leica, обеспечивая точную привязку положения реперов (жестких точек, относительно которых велись измерения), опорных разрезов, канав, маркирующих профилей. На их основе построены планы и геоморфологические схемы, демонстрирующие положение стационаров в мезорельефе.
Составлены сводные таблицы типичных и экстремальных значений параметров для различных типов КМ. Они сравнены по географическим районам, а в их пределах - по особенностям рельефа и грунтов. По диаграммам распределения минимальных и максимальных значений параметров форм и условий их развития (Приложение 3, 4) выделены их типичные интервалы. На их основе создан ряд крупномасштабных карт (1:25000) (Приложение 5), отражающих мозаичность распространения криогенных микроформ в выделенных интервалах высот и уклонов (Карпов, 1962; Шполянская, 1962; Любимов, Мудрое, 1969). Распределение типов КМ по геоморфологическим комплексам (вершинным поверхностям плато, их склонам и днищам долин) проиллюстрировано геолого-геоморфологическими профилями мезоформ рельефа (Приложение 6).
Из рыхлых отложений криогенных форм отобраны пробы на гранулометрический и валовый химический анализы. Отбор осуществлялся послойно или через фиксированный интервал (0,1-0,15 м) глубины в визуально однородных грунтах. Образцы отбирались из центров и бордюров изометричных ячеек, из тыловой и фронтальной частей ступеней и сопровождались указанием глубины (от 0,05 до 1 м) и планового положения места отбора в форме (на зарисовках и фотографиях, Приложение 2). Отбирались пробы из всей толщи форм для определения степени сортировки материала по глубине и латерали, направления потока вещества внутри форм (вымывания материала из тыловых частей террас, привноса тонких частиц в прибровочную часть, выноса заполнителя из бордюров сортированных колец и полигонов и, напротив, его концентрации в центрах форм).
Автор провел гранулометрический анализ 90 проб грунта в лаборатории кафедры геоморфологии и палеогеографии географического факультета МГУ по стандартной методике (Руководство..., 1987). Механический состав определялся делением образца на ряд фракций. К образцам смешанного состава применена стандартная (т.н. техническая) шкала крупности обломочных осадочных пород (Фролов, 1993), а к алевритам - дробная логарифмическая гамма-шкала В.П. Батурина (1947) для выявления тонких закономерностей дифференциации частиц. Метод определяет распределение размеров и степень сортировки частиц по крупности, отражающие динамические условия среды накопления и переработки материала.
Подготовка для сухого рассеивания заключалась в просушивании грунта в сушильном шкафу при 87-90С и измельчении пестиком. Органический материал удалялся 10% раствором перекиси водорода, которым обрабатывалась навеска сухого грунта (100 гр.); выделенная обломочная составляющая промывалась от остатков кислоты, просушивалась и повторно взвешивалась. Разница в весе пробы до и после обработки давала содержание органического вещества в отложениях. Гравийно-песчаные частицы ( 0,05 мм в поперечнике) рассеивались на виброгрохоте с набором сит Analysette 3 PRO фирмы Fritsch (Германия) (рис. 1.3а). Навеска сухого грунта (30-70 гр. в зависимости от содержания дресвы и мелкого щебня) помещалась в колонну сит, размер отверстий сеток которых последовательно уменьшался сверху вниз. Колонна закреплялась с помощью крышки и удерживающих ремней на поддоне. После просеивания в течение 20 минут материал, оставшийся на каждом сите, взвешивался на электронных весах (Kern 440-33) с градуировкой до сотых долей грамма. Производился расчет процентного содержания фракции от общего веса первоначальной навески.
Тонкодисперсный материал ( 0,05 мм) исследовался на лазерном дифракционном гранулометре Analysette 22 Comfort фирмы Fritsch {рис. 1.36) с диапазоном измерения частиц диаметром до 0,00016 мм. 1-2 капли образца, обработанного для диспергации пирофосфатом натрия по стандартной методике {Рухин, 1969), добавлялось в ячейку прибора, наполненную водой. Он вычислял размер частиц, подвергшихся перемешиванию и ультразвуковой обработке, по теории Фраунгофера {Константинов, Еременко, 2012). Специальная программа, установленная на соединенном с прибором компьютере, представляла данные в виде массива, который обрабатывался в программе Excel совместно с данными ситования. По результатам построены графики (Приложение 2) распределения гранулометрического состава проб по фракциям. Данные по нескольким пробам из одного разреза приведены на одном графике.
Валовый химический анализ водной вытяжки из 30 образцов грунта выполнен аккредитованной грунтовой лабораторией ФГУП «Фундаментпроект». При обработке данных построены диаграммы общей засоленности, содержания катионов и анионов и различных химических коэффициентов {Приложение 2). Проанализированы только образцы со значительным содержанием алеврито-пелита.
Образцы подвернутой дернины и погребенных органических остатков из оснований уступов террасок и валиков медальонных форм датированы в радиоуглеродной лаборатории геохимии изотопов и геохронологии Геологического Института (ГИН) РАН. под руководством д.г-м.н. М.М. Певзнер и к.г-м.н. Н.Е. Зарецкой.
Современные полевые работы требуют применения стационарных методов, позволяющих установить скорости и механизмы КП и современную активность форм. Контроль изменений их облика и локальных условий на местности требует значительного времени и периодического повторения в течение ряда лет. В настоящее время количество таких полевых наблюдений за формированием и динамикой КМ недостаточно. Большая их часть проводилась в нашей стране в 1960-7Ох гг., а за рубежом продолжается и сейчас. Док. Росс Маккей {Mackay, 2000) на протяжении 40-50 лет проследил современную динамику полигонального КМ на восточном арктическом побережье Канады, отметив изменения локальных условий его развития. Многолетние исследования солифлюкционной активности склонов {Harris et ai, 2007) и динамики криогенного растрескивания {Christiansen, 2005) проводятся на Шпицбергене и участках развития островной и сезонной мерзлоты в Северной Норвегии и Швеции {Goodfellow et al, 2008). Они используют данные современных приборов (рис. 1.4а,б) как о скоростях смещения пород и амплитудах расширения трещин, так и о термическом и влажностном режимах грунтов и приземных слоев воздуха, высоте снежного покрова, фазовых переходах воды. Визуально изменения состояния поверхности фиксируются автоматическими фотокамерами, круглогодично предоставляющими почасовые или ежедневные серии снимков.
Подобные инструментальные наблюдения сопряжены с рядом проблем. Приборы для комплексного исследования КП требуют постоянного контроля. При проведении только летних полевых работ мониторинг в зимнее время почти невозможен, не позволяя прослеживать особенности протекания КП в самую активную фазу. Более просты стационарные устройства, например, закладка в грунт разного рода индикаторов для выявления горизонтальных и вертикальных движений отдельных обломков или массовых смещений грунта.
Для изучения скоростей смещения грунта заложен стационар в Хибинах (рис. 1.4в). В одной из солифлюкционных террасок на юго-западном подножье Расвумчорра в долине Юкспоррйока пройдена канава по падению склона. В стенке шурфа установлены три профиля для измерения скорости смещения материала вниз по склону (в тыловой, средней и прибровочной частях террасы). Каждый из профилей - шнур, жестко закрепленный в нижней части разреза и свободный вверху, на который насажены отрезки резиновых трубок по 10 см длиной. Канава заполнена изъятым материалом в соответствии с распределением обломков и тонкого материала по слоям. Конструкция позволяет отрезкам трубок смещаться независимо, подчиняясь течению грунта, поэтому со временем профили примут форму эпюр распределения скоростей в толще терраски. Их экскавация позволит определить скорости течения, выделить зоны максимальных и минимальных скоростей по глубине и по латерали в пределах терраски, сделать выводы об особенностях протекания солифлюкции в подобных формах. На восточном склоне г. Титан в Южных Хибинах маркированы обломки для наблюдения за скоростью солифлюкции (рис. 1.4г). Повторные тахеометрические съёмки позволят контролировать их смещение по склону относительно друг друга и контрольных точек.
Десерпция
Многократно повторяющиеся ночные заморозки на грунте «обусловливают широкое распространение миниатюрного солифлюкционного рельефа» (Жигарев, 1966, с. 32). Особенное значение при этом обретают специфические десерпционные движения частиц грунта {табл. 7, рис. 3.5а), вызванные образованием «по утрам, после ясных морозных ночей ... многочисленных тонких иголочек льда, стоящих вертикально в виде изящных, блестящих на солнце стебельков. На концах своих они несут песчинки и гальки различной величины, которые они, вырастая, подняли с земли» (Бонштэдт, 1921, с. 73).
Миграция влаги по порам к фронту кратковременного промерзания и ее кристаллизация в приповерхностном слое приводит к образованию сегрегационного, или стебелькового, льда (рис. 3.56). Растущие ледяные стебельки захватывают или приподнимают на своих концах мелкие обломки (Карагодина, 1969), нарастая при этом снизу, на контакте с влажным грунтом (Каплина. 1965; Ухналев, 1988). Этот процесс активно сортирует материал, совершая при подтягивании влаги вверх по капиллярам значительную механическую работу по перемещению тонких и грубых частиц. Рост кристаллов происходит перпендикулярно фронту промерзания, поэтому поднимающиеся по нормали к поверхности частицы грунта при таянии стебельков опускаются под действием силы тяжести вертикально вниз. Даже при небольшом уклоне они совершают поступательное движение вниз по склону.
Таким образом, при сочетании разных физико-географических условий (см. главу 2) создаются предпосылки для более или менее глубокого и быстрого промерзания грунтов, что объясняет неравномерность латерального распространения форм КМ. Влияние каждого из элементов географической среды на развитие процессов различно, они могут как способствовать, так и препятствовать проявлению тех или иных криогенных явлений.
Поэтому совокупное воздействие набора природных условий на конкретном участке, подвергающемся промерзанию-оттаиванию, выступает в роли основного фактора развития КМ. Он обусловливает направленность и интенсивность КП и особенности их механизмов, т.е. непосредственно физических процессов, протекающих в грунтах. Появление системы трещин любой природы играет определяющую роль в формировании КМ. Они перераспределяют тепло и влагу в грунте и определяют дальнейшую перестройку его структуры в новых термодинамических условиях. Полигональные ячейки в дальнейшем развиваются как обособленные системы и в зависимости от природных условий преобразуются в различные формы КМ. В результате, условия развития конкретного участка меняются, и смена их набора вызывает повторную активизацию КП и эволюцию КМ. Циклическое развитие криогенных форм можно представить в виде схемы (рис.3.6.).
На основе морфологической классификации структурных микроформ А.Л. Уошберна (1958, 1988) мы составили морфолитогенетическую типизацию КМ (табл. 8). Она учитывает как внешние признаки (форму ячеек, поверхностную сортировку грунта, степень задернованности), так и различия внутреннего строения, состава грунта и происхождения трещин. Это позволяет выделять типы генетически родственных форм, а подразделение внутри них вести по частным особенностям (размерам форм, степени их сортировки, покрытию элементов дерниной и т.д.). Отдельное внимание уделено структурам и составу грунтов, соответствующих конкретным разновидностям, их распространению, механизмам образования и динамике, что выявляет генетические и возрастные связи между ними.
Три основные типа КМ выделены по комплексному морфологическому признаку -различию плановой формы и продольного профиля ячеек грунта, предопределенных, в первую очередь, уклоном поверхности. Изометричные формы имеют округлые или полигональные ячейки, линейные - сильно удлиненные вдоль склона очертания, а ступенчатые - полукруглые или вытянутые. Продольный профиль изометричных и линейных форм, в целом, прямой и совпадает с уклоном склона (субгоризонтальный или наклонный, соответственно), ступенчатых - выпуклый, образованный площадкой и крутым уступом во фронтальной части.
Размеры криогенных форм предопределены, в первую очередь, системой трещин в их основании. Самые мелкие из них соответствуют трещинам летнего (сезонного) или диагенетического усыхания, их ширина обычно не превышает 0,5 м (Уошберн, 1988), а перепады высот - 1-10 см. Такие образования часто осложняют оголенные элементы более крупных форм. Средние по размеру формы наследуют трещины, образующиеся осенью из-за усыхания и усадки грунта при подтягивании влаги к фронту промерзания. Они широко распространены и достигают 0,5-1-2 м шириной (Романовский, 1977) и высотных амплитуд 0,2-0,5 м. Самые крупные формы, ширина которых 2-3 м и более, а превышения - 0,5-2 м, обычно объединяют несколько слившихся ячеек, ограниченных общим бордюром. Иногда их обусловливают крупные морозобойные трещины, которые, однако, редки (табл. 9).
Таким образом, типизация форм по размеру имеет и генетический смыл, разделяя возникшие благодаря разным физическим процессам конвергентные формы. Растрескивание дифференцирует условия промерзания-протаивания и увлажнения грунтов, способствуя увеличению разнообразия КМ (Шарапова, 1983).
Средние ступени с задернованным уступом
Несортированные ступени с задернованным уступом распространены широко, хотя часто к ним причисляют и формы, внутренняя сортировка которых скрыта мощной дерниной. Многообразные терраски лестницами спускаются по пологим склонам плато и моренных гряд. Их уступы (от 4-5 до 18-20) поддерживаются растительностью. Поперечный профиль площадок слабо вогнутый, т.к. задернованный бордюр слегка возвышается над ними.
На восточных склонах Хибин (рис. 4.42а) и западных склонах Ловозерских тундр (рис. 4.426) формы кулисообразно вытянуты поперек склона на 2-5 м и более, вдоль склона на 1-1,5 м и в высоту достигают 0,4-1 м. Незадернованная площадка прямоугольной или неправильной формы сложена дресвой с валунами, доля мелкозема вглубь увеличивается. На северовосточном склоне отрога Линеаментов и г. Коашкар терраски имеют четкие более наклонные (10-12) уступы, ступени юго-восточного склона возв. Эльморайок и западных склонов Сенгисчорра выражены хуже. Довольно крутые (15-20) склоны юго-западного отрога Вудперчорра, а также Мончетундры (рис. 4.42в) осложняют четкие серповидные ступени длиной до 1 м и шириной 3-5 м. На более пологих (5- 10) участках вблизи бровок вершинных поверхностей г. С. Титан и Партамчорра полукруглые формы имеют уступ высотой 0,1-0,3 м.
В массиве Рай-Из и в районе г. Народной несортированных ступеней не обнаружено, однако соседний Пайпудынский хр. ими богат (рис. 4.42г). Обломочно-мелкоземистые терраски (диаметром 1-2 м) с невысокими валиками приурочены к выположенным участкам (до 10).
Более крупные ступени имеют прямоугольную форму, уступ высотой 0,5-1 м и размеры 2х4-5 м. На выпуклом перегибе волнистого склона (7) восточного отрога г. Баркова (Приполярный Урал) ступени высотой 0,2-0,35 м, длиной 0,5 м и шириной 1-3 м (Приложение 2.10.а) имеют крутые (45-50) задернованные уступы и субгоризонтальные площадки с дресвяно-щебнистыми пятнами. Гранулометрический анализ отложений средней части терраски и подстилающих песков показал, что заполнитель в глыбово-щебнистой толще — крупный алеврит (35 %) сильно опесчаненный тонкими зернами (20 %) почти без дресвы.
Подстилающий материал грубее -тонкозернистый песок (35 %) со значительным содержанием крупного алеврита, мелких песчаных зерен (-10 %) и дресвы (до 15 %). Т.е. в терраске более тонкий обедненный обломками материал течет по более «грубому» основанию склона.
В Срединном хр. плохо сортированные ступени ярко выражены на выветрелом базальтовом шлаке {рис. 4.42д), образуя «ячеистый» рисунок склонов (ячейки 0,5x1,5-2 м с превышениями 0,1-0,2 м). Аналогичны формы на склонах Ключевской группы вулканов в диапазоне высот 1000-1600 м {Абрамов, Гиличинский, 2008). Четкие прямоугольные терраски (0,5x2 м, высотой 0,5 ы, рис. 4.42е) спускаются по склонам г. Козельской (Авачинская группа), а пологие участки покрыты плохо выраженными ступенями с выположенными уступами.
Серповидные несортированные ступени часто соседствуют с медальонами на пологих участках. На общее для них растрескивание на склонах накладываются солифлюкционно десерпционные движения. Смещая материал по склону в обособленных ячейках, они создают ступенчатую форму их профиля. Растительность не только подчеркивает уступы, но и скрепляет, создавая препятствия на пути «ползущего» грунта.
Сортированные ступени с задернованным уступом распространены в схожих условиях, а также часты в средней части склонов гор вдоль бровок крупных уступов (в т.ч. обусловленных выходами скал). Компактные полукруглые ступени характерны для массивов Кольского п-ова (юго-западные склоны г. С. Титан, юго-восточные склоны Поачвумчорра и г. Чильмана) и Полярного Урала (рис. 4.43г). В Хибинах они сетями покрывают склоны (-15) возвышенностей (400-600 м над у.м.), в особенности щебнисто-дресвяно-супесчаные внешние (южные и восточные) склоны (5-12) массива (рис. 4.43а). Иногда растительность скрывает в них сортировку (рис. 4.436) под валиками дернины на валунных бордюрах (рис. 4.43в).
Крупные менее выдержанные по форме ступени, часто прерываемые поперечными языками обломков, подробно изучены на северно-западном отроге Айкуайвенчорра (Приложение 2.11.а). Ряды ступеней на склоне (8-10) над северной бровкой гребня возвышаются друг над другом на 0,5-1 м. Ширина пологих (3-5) выпуклых площадок достигает 5-8 м, длина колеблется от 2 до 4 м. С поверхности они сложены щебнем с дресвой и мелкими глыбами, сортированными в мелкие полосы. Тыловые швы террасок прямолинейны, а их бровки фестончаты и замыты, но подчеркнуты щебнисто-валунным бордюром. На выпуклых участках бровок за бордюром возникает задернованный валик высотой 0,1 м. Уступы террасок довольно круты (12-15 до 20) и покрыты ягелем. На поверхности стебельковый лед сортирует материал, активнее развиваясь в тыловой части террасок на увлажненном мелкоземе.
Фронтальная и тыловая части терраски послойно опробованы на химический и гранулометрический анализы. Механический состав отложений гораздо грубее, чем в изометричных формах КМ. Сортировка по латерали значительна, а дифференциация по глубине проявляется лишь вблизи фронта. В тыловой части весь разрез сложен дресвяником (25-30 %) с обилием разнозернистого пылеватого ( 15 %) слабо оглиненного ( 5-10 %) песка. В обломках преобладает крупная дресва (до 15-25 %). Песчаные частицы по всем фракциям распределены равномерно (-6-8 %), чуть увеличена доля лишь грубых зерен (12 %). Нижние горизонты близки к верхним, но обеднены зернами крупного песка и, в целом, имеют чуть более тонкий состав. Во фронтальной зоне материал более грубый, помимо увеличения доли дресвы до 25-45 %, появляется мелкий щебень (до 20-30 %). В песчаных зернах пик приходится на мелкую фракцию (до 12 %), алевритистых частиц меньше, а глинистых почти нет. Мелких обломков больше всего в приповерхностном слое, но и в нижней части есть линзы, насыщенные щебнем, дресвой и почти лишенные заполнителя. Основная часть разреза и подстилающие горизонты сильно опесчанены. Верхние слои (над линзой крупных обломков) значительно оторфованы (органического материала до 20 %). Оглиненность всей толщи терраски мала, но слабо возрастает к основанию. Ее минерализация (2,1-4,8 мг/л) довольно высока среди хибинских образцов, достигая максимума в приповерхностных слоях фронтальной части (в наиболее оторфованном горизонте). Содержание НСОз и SO4, в целом, равно, но меняется по разрезу.
Так. книзу возрастает содержание НСОз (от 35 до 66 %), a SO4 снижается (от 55 до 24 %). Лишь в подстилающем терраску слое их содержание вновь уравнивается. Хлором немного обеднен поверхностный горизонт. В катионном составе преобладают K+Na (67-85 %), хотя в верхнем слое их содержание сокращается почти в два раза. Содержание ионов Са и Mg везде равно, максимально у поверхности (по 23 %) и минимально (по 8 %) в оторфованном горизонте.
В Срединном хр. также характерны довольно крупные полукруглые разрозненные ступени диаметром 2-3 м и высотой до 1 м {рис. 4.43д), хотя чаще пологие склоны покрывают удлиненные (шириной 5-8 м) узкие (длиной 0,5-1 м) параллельные терраски (рис. 4.43е), задернованные невысокие (0,2-0.4 м) уступы которых выположены до 8-15. Почти все имеют небольшой, иногда торфяной валик и вогнутый профиль площадки. Сортированные ступени с задернованным уступом являются в некоторой степени «склоновыми аналогами» каменных колец (без валика) или медальонно-валиковых форм (с валиком), имея схожее внутреннее строение, но обладая уступом во фронтальной части.
Изометричные формы
Четче закономерности эволюционного развития мерзлотных микроформ прослеживаются у изометричного КМ {табл. 16), как самого типичного и слабо преобразуемого наложенными гравитационными и биогенными процессами.
1.1. На первично незадернованных избыточно увлажненных участках (днища пересыхающих озер, пониженные участки вершинных поверхностей плато) (рис. 5.2а/
1.1.А. Стадия роста. В переувлажненных грунтах закладывающиеся полигональные трещины собирают влагу, дренируя центральные части обособленных ячеек. В быстрее промерзающем более сухом материале центров осенью создается наибольший градиент температур. По нему влага активно подтягивается к фронту промерзания, вызывая пучение и подъем дневной поверхности. В трещинах постепенно образуются сезонные ледяные жилки, расклинивая их стенки и усиливая пучение центров. К весне контрасты влагосодержания между грунтами трещинных зон и полигонов несколько снижаются, но центральные части все же протаивают быстрее и глубже. Многочисленные циклы режеляции значительно повышают центр ячейки, создавая выпуклый полигон. В смешанных грунтах вместе с влагой в движение вовлекается обломочный материал, вымораживаясь к фронту промерзания — верхней и боковым граням полигона. На поверхности форм десерпция, в особенности стебельковый лед, смещает обломки от выпуклого центра к трещинам. Формируются обломочный бордюр и относительно уплотненное обогащенное тонкими частицами ядро, образуя каменные полигоны с выпуклыми центрами. Формы значительное время проходят эту стадию, пока сохраняется необходимое для активных мерзлотных процессов увлажнение грунта, а перепады высот недостаточны для дифференциации локальных условий зарастания.
Увеличивающиеся амплитуды высот внутри полигонов перераспределяют влагу, поэтому периодически испытывавшие затопление центры постепенно выходят из зоны переувлажнения. В субаэральных условиях они всыхают, пучение ослабевает, а зимой хуже защищенные снегом повышения быстрее коррадируются и охлаждаются. Более выгодное сочетание достаточного увлажнения, меньших температурных контрастов и защищенности от ветровой и морозной денудации в трещинных зонах обусловливает освоение их растительностью. В днищах пересыхающих озер они зарастают кустарничками {Карпов, J964), а на плато — влаголюбивыми лишайниками, мхами и травами.
С этого момента кардинально перестраиваются внутренние условия развития форм (Шарапова, 1983). Центральные части структур становятся «континентальнее», промерзание распространяется от их центров на зарастающие в более мягких условиях бордюры. Растительность отепляет подстилающие грунты и запасает большие объемы влаги в виде снега. Над трещинами накапливается мощная дернина, что в дальнейшем создает медальонно-валиковые формы (на смешанных грунтах подушка торфа формируется поверх каменных бордюров, камуфлируя структурные неоднородности форм). При протаивании в центрах структур кровля сезонной мерзлоты понижается быстрее, чем во влажных заросших валиках, поддерживая КП. Такие сложно построенные формы типичны для плато Приполярного Урала и Срединного хр., где их продолжительное существование обеспечивают выходы грунтовых вод и широкое распространение алевритовых и пепловых покровов. Пока увлажнение выпуклых центров достаточно для активного пучения, поддерживающего их высоту и предотвращающего зарастание, структуры функционируют, сохраняя свой облик и увеличивая размеры.
1.1.В. Стадия деградации. Когда растущие высота или горизонтальные размеры медальонно-валиковых структур перестают обеспечиваться количеством влаги в грунтах, КП в их центрах затухают, они зарастают вначале мхами и лишайниками, затем высшими растениями. Задернованные микроповышения (бугорки) постепенно нивелируются. Внутренняя структура сохраняется дольше даже под сплошным растительным покровом.
1.2. На первично незадериованных нормально (недостаточно) увлажненных участках (вершинные поверхности плато и моренных валов) (рис.5.2б).
1.2.А. Стадия роста. В более суровых температурных условиях интенсивное растрескивание грунта предопределяет довольно быстрое заложение полигональной сети. Однако дальнейшее обособление ячеек протекает медленнее, чем в 1.1.А, так как слабое увлажнение не способствует пучению и расклиниванию. Формируются, как правило, плоские и слабовыпуклые многоугольники с плохо выраженными очертаниями и перепадами высот, которые покрывают почти сплошь Хибинские и Ловозерские плато. Неоднородный грунт медленно дифференцируется в обломочные бордюры в трещинных зонах. Лучше увлажненные стенки трещин иногда сильнее подвержены пучению, в результате неоднородности которого верхние слои грунта полигонов коробятся, а их края выгибаются вверх. Формируются выпуклые бордюры, иногда возвышающиеся над полигонами (нагромождения обломков).
