Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изученность и обзор существующих методов 16
1.1. Наблюдения и экспериментальные исследования 16
1.2. Теоретические исследования динамики берегов 26
1.3. О проблемах и достижениях в прогнозировании развития берегов водохранилищ криолитозоны
1.4 Моделирование и прогнозирование динамики морских берегов криолитозоны
Глава 2. Методика исследований 58
2.1. Методология аналитического описания динамики льдистых морских берегов
2.2. Методика экспедиционных работ 67
2.3. Исходные уравнения для моделирования динамики льдистых берегов арктических морей
Глава. 3. Анализ связей мерзлотно-климатических характеристик с динамикой берегов восточных арктических морей
3.1. Гидрометеорологические условия 7 9
3.2. Мерзлотно-геологические условия 93
3.3. Влияние мерзлотно-климатических условий на активность береговых криогенных процессов
3.4. Скорость термоабразии берегов в различных климатических условиях 112
Глава 4. Линейная теория развития береговых криогенных процессов 119
4.1. Влияние пространственных изменений мерзлотного строения и высоты береговых уступов на активность термоабразии
4.2. Воздействие термического фактора на активность термоабразионного процесса
4.3. Развитие береговых криогенных процессов при переменных составляющих абразионной активности моря
4.4. Развитие термоабразии берегов в условиях относительного потепления климата
Глава 5. Роль многолетнемерзлых пород в динамике береговой криолитозоны арктических морей
5.1. Морфодинамика подводного берегового склона 150
5.2. Взаимодействие субаквальних абразионно-аккумулятивных и береговых криогенных процессов
5.3. Уравнение состояния и сохранение неустойчивости береговых криогенных систем
5.4. Влияние мерзлотно-климатических условий на устойчивость льдистых берегов в Восточной Арктике и решение уравнения состояния
5.5. Реакция льдистых морских берегов на мезомасштабные 175 гидрометеорологические возмущения
Глава 6. Нелинейная теория динамики льдистых морских берегов 181
6.1. Воздействие средней температуры воздуха безледного периода на гидродинамическую активность
6.2. Гамильтоновский формализм для описания пространственно-временных изменений абразионной активности моря
6.3. Многофакторная нелинейная модель динамики льдистых берегов 194
6.4. Динамическая классификация морских берегов криолитозоны 196
Глава 7. Прогноз динамики льдистых морских берегов восточных арктических морей на первую половину XXI века
7.1. Обоснование сценариев предполагаемых изменений климатических 201 условий
7.2. Прогнозирование скорости термоабразии на основе линейной теории 205 динамики льдистых морских берегов
7.3. Прогнозирование скорости термоабразии на основе нелинейной теории 208 динамики льдистых морских берегов
7.4. Тестирование результатов прогнозов на начало XXI века 211
Заключение 213
Список литературы 215
- Теоретические исследования динамики берегов
- Исходные уравнения для моделирования динамики льдистых берегов арктических морей
- Влияние мерзлотно-климатических условий на активность береговых криогенных процессов
- Развитие береговых криогенных процессов при переменных составляющих абразионной активности моря
Введение к работе
Актуальность. Предлагаемая тема относится к приоритетному направлению фундаментальных научных исследований и отражает некоторые аспекты международной проблемы взаимодействия Арктики с планетарными процессами. В настоящее время актуальна организация мероприятий по программам Арктического мониторинга (АМАР), направленных на выработку правильных и своевременных решений по защите окружающей среды арктических морей. Среди приоритетов международные организации, объединенные межправительственной программой по окружающей среде (UNEP), отмечают необходимость изучения влияния климатических изменений на природные процессы в Арктике. Задачи, поставленные в международных программах Арктического мониторинга, прямо или косвенно касаются изменчивости арктической криолитозоны в пространстве и времени под воздействием естественных факторов.
В восточном секторе Российской Арктики широко распространены деструктивные береговые криогенные процессы. Термоабразия берегов здесь - масштабное явление, поскольку около одной трети общей протяженности береговой линии изучаемого региона побережья (4080 км) представлены береговыми уступами, сложенными весьма неустойчивыми к воздействию моря породами ледового и озерно-термокарстового комплексов [Григорьев и др. 2006]. На побережье Северного Ледовитого океана упомянутые отложения встречаются главным образом в пределах восточных арктических морей. Такие берега отличаются высокими скоростями разрушения и продуцируют большое количество поступающих в моря наносов: по разным оценкам, 130-153 млн. тонн обломочного материала ежегодно, в том числе более 4 млн. тонн органического углерода [Григорьев и др. 2006]. В рассматриваемом регионе береговая составляющая привносимых в море терригенных осадков в несколько раз превышает твердый речной сток, что по существу меняет подходы к изучению формирования баланса наносов на арктическом шельфе.
Вместе с тем, реакция льдистых берегов арктического побережья на изменения мерзлотно-климатических условий количественно не изучена. Различными методами исследовано менее 5% от общей протяженности береговой линии морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского. В условиях интенсивного освоения и изменчивости климата Арктики изучение динамики льдистых берегов и прогнозирование скорости их разрушения приобретают особое значение. Пока мы не научимся количественно предсказывать реакцию криогенных систем этого региона на изменения климатических условий, ее последствия для природного комплекса и хозяйственных объектов будут всегда неожиданны.
Усиление деградации льдистых берегов при прогнозируемом потеплении климата вызовет значительные колебания физико-химических характеристик водных масс прибрежных районов и, как следствие, дестабилизацию сложившихся природных условий. Материалы исследований автора свидетельствуют о значительном воздействии деструктивных береговых криогенных процессов на углекисло-карбонатное равновесие вод восточных арктических морей и, следовательно, на газообмен с атмосферой. Активизация разрушения льдистых берегов может существенно снизить способность акваторий к инвазии парниковых газов [Razumov, 2003]. Это означает, что динамику льдистых берегов следует рассматривать в ряду основных факторов эволюции арктической криолитозоны, активно влияющих также на формирование регионального климата. Наших знаний в этой области науки недостаточно ввиду слабой изученности берегоформирующих процессов в Арктике.
Существенное продвижение знаний в области динамики береговой криолитозоны арктических морей может быть достигнуто с помощью математических моделей, которые бы позволили явным образом описывать развитие льдистых берегов в связи с изменениями климата и других природных факторов. Разработка таких многофакторных моделей открывает перспективы для достаточно обоснованного прогнозирования темпов деградации морских берегов криолитозоны. В условиях относительной недоступности, высокой стоимости экспедиционных работ в Арктике и глобальных изменений климата, это пока, по-видимому, наиболее эффективный и мало затратный способ оценки и контроля активности береговых криогенных процессов и их последствий в арктических районах.
Теоретические проблемы, рассматриваемые в работе, касаются многофакторного математического моделирования и прогнозирования деструктивных береговых криогенных процессов в восточных арктических морях. В мировой теории и практике моделирования и прогнозирования рассматриваемых процессов пока не существует отработанных методик способных формализовать нетривиальные связи между климатическими, мерзлотно-геологическими, морфологическими и динамическими характеристиками системы атмосфера - море - береговая криолитозона. В представленной работе делается попытка решить эту ключевую проблему аналитической динамики льдистых берегов. Для этого необходимо было разработать методологию исследований, которая позволяла бы аналитически сформулировать связи между основными природными факторами и активностью деструктивных береговых криогенных процессов. Выявить закономерности их пространственно-временной изменчивости в связи с вариациями мерзлотно-климатических условий. Решения этих задач составляют теоретическую основу для разработки прогноза развития термоабразии морских берегов в XXI веке.
Объект исследований - побережья морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского с береговыми уступами, сложенными льдистыми дисперсными отложениями и активно разрушающимися под воздействием атмосферы и моря в современных природных условиях.
Предмет исследований - современная динамика деструктивных береговых криогенных процессов на побережье восточных арктических морей России в изменяющихся мерзлотно-геологических, морфологических и климатических условиях. Из деструктивных береговых криогенных процессов рассматриваются в основном термоабразия и термоденудация. В качестве мерзлотно-геологических факторов в представленной работе приняты льдистость, температура и механический состав пород, форма и размеры массивных подземных льдов и полигонов. Морфологические условия характеризуются высотой и экспозицией береговых уступов (клифов), рельефом подводного берегового склона и глубиной моря в его пределах, климатические - повторяемостью штормов морских румбов с ветровыми нагонами и средней температурой воздуха безледного периода (июль, август, сентябрь). Методы исследований: натурные и дистанционные исследования развития деструктивных береговых криогенных процессов, а также климатических, мерзлотно-геологических, геоморфологических, гидродинамических характеристик природных условий; комплексный анализ сопряженных в пространстве и времени собственных и опубликованных данных по перечисленным характеристикам; формализация закономерных связей между темпом разрушения льдистых берегов и природными факторами с помощью математических средств. Методологический подход: принципы математического моделирования и прогнозирования динамики льдистых морских берегов основываются на предлагаемой концепции разделения климатической (множество активных факторов) и субстратной (множество пассивных факторов) составляющих процесса термоабразии. Первая составляющая отвечает за потенциальную способность моря разрушать берега, вторая - за потенциальную способность клифов сопротивляться воздействию моря. Активные и пассивные факторы объединяются функциональными зависимостями внутри своих факторных множеств. В результате получены два интегральных параметра, которые функционально связаны с темпом разрушения берегов.
Цель и задачи исследований. Цель работы - выявление закономерностей и количественная оценка реакции береговых криогенных систем восточных арктических морей на комплексное воздействие климатических, геокриологических, геоморфологических и гидродинамических факторов, разработка прогностической модели динамики льдистых морских берегов в связи с предполагаемыми изменениями климата в XXI веке.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: оценить возможности применения существующих методов прогнозирования динамики берегов морей и больших водохранилищ к льдистым берегам арктических морей; проанализировать мерзлотно-геологические, морфологические, гидродинамические и климатические факторы динамики берегов, их изменения в пространстве и времени и роль в развитии деструктивных криогенных процессов на изучаемых участках арктического побережья. Обосновать комплекс природных факторов, взаимодействующих в процессе разрушения льдистых морских берегов; формализовать активное воздействие моря на льдистые береговые уступы и их способность сопротивляться этому воздействию в различных климатических, мерзлотно-геологических и морфологических условиях; изучить взаимодействие деструктивных береговых криогенных и субаквальных абразионно-аккумулятивных процессов в условиях климатических колебаний. Оценить роль криогенных факторов в динамике морских берегов; обосновать функциональную структуру прогностической модели динамики криогенных берегов в нестационарных климатических условиях таким образом, чтобы она описывала реакцию льдистых берегов на сопряженные во времени вариации термической и циркуляционной составляющих климата, а также учитывала пространственные изменения геокриологических и морфологических характеристик; выполнить прогноз темпов разрушения наиболее активных участков льдистых берегов восточных арктических морей на первую половину XXI века по двум сценариям предполагаемых изменений климата.
Научная новизна работы:
1. Впервые обоснована функциональная связь динамики береговой криолитозоны восточных арктических морей с вариациями термической и циркуляционной составляющих климата. Разработана линейная теория динамики льдистых морских берегов, которая описывает их развитие в изменяющихся природных условиях посредством частных линейных взаимосвязей с влияющими факторами;
2. Впервые установлены и формализованы зависимости продолжительности безледного времени, положения границы дрейфующих льдов, сопротивления льдистых берегов воздействию моря от средней температуры воздуха безледного периода. В практику моделирования введен комплексный параметр - коэффициент сопротивления берегов. Новизна его заключается в том, что применительно к льдистым клифам он, в отличие от известного коэффициента размываемости Е.Г. Качугина, функционально связан с колебаниями средней температуры воздуха безледного периода;
Впервые количественно сформулирована связь между комплексами активных и пассивных природных факторов и темпом разрушения льдистых морских берегов. Аналитически обоснованы причины возможного вырождения термоабразии, оценены частные вклады активных и пассивных природных факторов в развитие термоабразионного процесса;
Впервые количественно обоснована роль многолетнемерзлых пород в развитии термоабразии морских берегов. Выявлены закономерности взаимодействия надводных деструктивных береговых криогенных процессов с субаквальными абразионно-аккумулятивными процессами в условиях изменений климата;
Разработана нелинейная теория динамики льдистых морских берегов, предлагается многофакторная математическая модель реакции береговой криолитозоны на изменения мерзлотно-климатических условий. В функциональную структуру модели заложена выявленная связь многолетних изменений штормовой активности моря с вариациями суммы горизонтальных составляющих сил приливного типа;
Впервые предложена модель реакции льдистых берегов на гидрометеорологические возмущения в масштабах времени одного разрушительного шторма. Выдвинуты принципы динамической типизации берегов арктических морей по количественному критерию, позволяющему учитывать пространственно-временные изменения динамических и соответствующих им генетических типов берегов в нестационарных климатических условиях;
7. На основе разработанной автором линейной и нелинейной теории динамики льдистых морских берегов выполнен количественный прогноз развития термоабразии берегов восточных арктических морей России на первую половину XXI века.
Защищаемые положения
1. При повышении средней температуры воздуха безледного периода и стабильном уровне моря активность термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей в целом существенно возрастает относительно ее средней многолетней величины, несмотря на мелководность прибрежно- шельфовой зоны.
2. Количественно оцененный вклад термического фактора (средней температуры воздуха безледного периода) в развитие термоабразии льдистых морских берегов более чем в два раза превышает интегральный вклад штормовой активности и абразионно-аккумулятивных процессов на подводном береговом склоне.
3. Многолетнемерзлые породы подводного берегового склона препятствуют формированию равновесного штормового профиля, что обусловливает более активное, чем вне криолитозоны, воздействие моря на береговой уступ.
4. Изменения во времени скорости термоабразии льдистых берегов восточных арктических морей соответствуют сопряженным во времени вариациям средней температуры воздуха безледного периода и повторяемости разрушительных штормов, выявленная функциональная взаимосвязь которых является основой для прогнозирования интенсивности термоабразионного процесса.
5. Оценка тенденций развития льдистых берегов восточных арктических морей, проведенная с помощью разработанной математической модели, показывает, что по "умеренному сценарию" предполагаемых изменений средней температуры воздуха безледного периода максимальные значения и амплитуда колебаний средней скорости термоабразии в первой половине XXI века не превысят величин, наблюдаемых в XX веке.
Достоверность научных положений. Научные положения, выводы и рекомендации сформулированы на основе анализа фактического материала, полученного в результате методически обоснованных натурных исследований с использованием обширной гидрометеорологической информации. Ввиду пионерного характера проведенных исследований, достоверность сделанных выводов подтверждается удовлетворительной многократной сходимостью расчетных и фактических данных при тестировании на независимом материале как отдельных линейных и нелинейных математических моделей развития термоабразии, так и результатов прогноза динамики льдистых берегов на начало XXI века. Полученная автором количественная оценка вклада повторяемости штормов в термоабразионный процесс с помощью разработанной им математической модели не расходится с независимой оценкой ученых Института криосферы Земли СО РАН. Вывод о ведущей роли функционально связанных факторов: повторяемости штормов и средней температуре безледного периода в процессе разрушения льдистых берегов не противоречит известным фактам, но уточняет и дополняет их в масштабах восточно-арктического региона криолитозоны.
Личный вклад автора. Диссертация базируется на материалах, собранных автором с 1984 по 2002 гг. в 21 российских и международных арктических экспедициях. Автор проводил исследования в составе морского отряда Янской геологоразведочной экспедиции 1984-1988 гг., арктического отряда Геологического факультета МГУ 1985 г., Института мерзлотоведения СО РАН 1989-1998 гг., Российско-Германских экспедиций 1999-2002 гг.
Комплексные геокриологические исследования проведены на 42 участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, расположенных на п-ове Таймыр, в Анабаро-Оленекском секторе, Оленекском заливе, дельте р. Лены, заливе Буор-Хая, Янеком заливе, на Новосибирских островах и в проливе Д. Лаптева, а также в Колымо-Индигирском секторе и дельте р. Колымы.
Результаты теоретических исследований автора: линейная и нелинейная теории развития деструктивных береговых криогенных процессов в восточных арктических морях; многофакторная математическая модель динамики льдистых морских берегов в нестационарных климатических условиях; прогноз темпов разрушения льдистых берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского на первую половину XXI века в связи с изменениями климата Арктики.
Апробация работы. Диссертация выполнена в Институте мерзлотоведения СО РАН в рамках приоритетных программ фундаментальных исследований: программа 5.2.6. "Состояние криолитозоны и прогноз ее развития", проект "Пространственно-временные закономерности развития мерзлых пород, льдов, криогенных процессов и явлений"; программа 24.4. "Криогенные процессы в естественных и искусственных средах. Методика мониторинга, моделирование и прогноз состояния криосферы", проект "Процессы формирования и разрушения криолитогенных толщ".
Исследования по теме диссертации были включены в проекты Госпрограммы 025 "Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики" (Изучение эволюции криогенных процессов в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского), программ фундаментальных исследований Президиума РАН: "Мировой Океан: геология дна, геодинамика, биология моря и экология" (Эрозия льдистых берегов арктических морей и Динамика морских берегов Российской Арктики); П-34 "Наземное оледенение и вечная мерзлота полярных регионов" (Криолитозона и природные процессы в прибрежно-шельфовой области полярных морей Евразии, Криолитозона восточного сектора Арктики: эволюция, геотемпературное поле и взаимодействие с атмосферой и гидросферой), № 13 "Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы" (Влияние прогнозируемого потепления климата в криолитозоне Сибири на экосистемы Севера). Кроме того, работы проводились по республиканской целевой программе: "Фундаментальные исследования и содействие НТП" (Исследование динамики разрушения льдистых берегов на северном побережье Республики Саха (Якутия), твердого выноса на шельф и прогноз развития термоабразии), по проекту ГУ МЧС РФ: "Снижение рисков и смягчение последствий стихийных бедствий природного и техногенного характера в PC (Я) до 2006 года" (Экстремальное разрушение берегов и методы берегозащиты в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском).
Работы по теме диссертации выполнялись в проектах РФФИ: № 03-05-96093 р2003арктика_а "Моделирование и прогноз динамики береговой криолитозоны восточных арктических морей в изменяющихся климатических условиях" и № 06-05-643 84-а "Закономерности и моделирование динамики деструктивных криогенных процессов, вызванных техногенными воздействиями в переменных климатических условиях на примере Северо-востока России" (руководитель С.О.Разумов); №98-05-65506 "Эволюция криогенных процессов в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского" (руководитель М.Н. Григорьев).
Тема исследований разрабатывалась в Российско-Германских проектах "Система моря Лаптевых - 2000" и "Система моря Лаптевых" (Осадконакопление, процессы береговой эрозии и история развития дельты Лены) и в международных проектах INTAS: грант 2332. Arctic coastal dynamics of Eurasia: classification, modern state and prediction of its development based on GIS technology, грант 2329. Arctic coasts of Eurasia: dynamics, sediment budget, and carbon flux in connection with permafrost occurrence.
Результаты исследований были представлены: на международном симпозиуме "Динамика Арктического побережья" (Woods Hole, Массачусетс, ноябрь 1999); на заседании Комитета старших должностных лиц Арктического Совета "Охрана окружающей среды в Арктике" (Якутск, апрель 2005 г.); на заседании Совета "Некоммерческого Партнёрства по координации использования Северного морского пути" (Якутск, ноябрь 2006 г.) с участием Президента PC (Я), депутатов Федерального Собрания; в ряде важнейших результатов научных исследований Института мерзлотоведения СО РАН в 2001-2006 гг. и в государственных докладах правительства PC (Я) "О состоянии окружающей природной среды Республики Саха (Якутия)" в 1998,2000, 2001,2002 гг.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научной сессии "Климат и мерзлота", г. Якутск, АН PC (Я), декабрь 1998 (Изменчивость климата как фактор динамики береговой криолитозоны); на II конференции геокриологов России, г. Москва, МГУ, июнь 2001 (Модель динамики льдистых берегов арктических морей в стационарных климатических условиях); на международной конференции "Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения", г. Пущино, май 2003 (Развитие эрозии льдистых морских берегов в условиях изменений средней летней температуры воздуха при стационарной повторяемости штормов); на Республиканской конференции "Климат и мерзлота", г. Якутск, АН PC (Я), декабрь 2003 (Динамика береговой криолитозоны морей Якутии в изменяющихся климатических условиях и ее математическая модель); на международной конференции "Криосфера нефтегазоносных провинций", г. Тюмень, май 2004 (Прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей на первую половину XXI века); на международной конференции "Приоритетные направления в изучении криосферы Земли", г. Пущино, май, 2005 (Принципы и численный критерий динамической типизации криогенных берегов арктических морей); на III конференции геокриологов России, г. Москва, МГУ, июнь, 2005 (Реакция береговой криолитозоны арктических морей на мезомасштабные гидрометеорологические возмущения).
По теме диссертации лично автором и в соавторстве опубликовано 43 работы.
Научное и практическое значение работы. Исследования развития береговой криолитозоны арктических морей имеют как практический, так и глубокий теоретический интерес. Исследуя береговые криогенные процессы, мы оказываемся в пограничной области между геокриологией, океанологией, метеорологией, геоморфологией и динамической геологией.
В представленной работе раскрыт и количественно описан механизм этих процессов, физический смысл их связей с мерзлотно-климатическими и другими природными факторами. Показано, что берегоформирующие криогенные процессы имеют нестационарный характер и являются короткопериодическими. Развивается новое направление динамической геокриологии в области исследований береговых криогенных процессов - многофакторное математическое моделирование и прогнозирование динамики льдистых морских берегов в изменяющихся природных условиях. Вовлечены и математически сформулированы понятия абразионной активности моря и неустойчивости льдистых берегов к внешним воздействиям. Предложено уравнение состояния береговых криогенных систем. Оно связывает неустойчивость льдистых берегов с производством энтропии при теплопроводности пород, пространственными изменениями макрольдистости и многолетними колебаниями теплового ресурса летнего сезона. Получено аналитическое решение этого уравнения.
Предлагается нелинейная теория динамики береговой криолитозоны морей, с помощью которой можно объяснить многие явления, возникающие при взаимодействии сразу трех компонентов криосферы в прибрежных районах Арктики. Например, демпфирующий эффект при развитии профиля динамического равновесия в верхней части подводного берегового склона, резкое возрастание неустойчивости океанических массивов паковых льдов и льдистых арктических берегов при средней летней температуре воздуха на побережье выше 4 С. Теория позволяет разрешить некоторые противоречия, возникающие, например, при анализе темпов разрушения береговых уступов разной высоты, процессов формирования аккумулятивных дуг и термоабразионных мысов на участках льдистых берегов, взаимодействия берегоформирующих факторов с кровлей субаквальных мерзлых пород. Результаты работы дают обоснованную теоретически и фактическим материалом позицию в дискуссии о влиянии многолетнемерзлого состояния пород на скорость разрушения морских берегов.
Практическое значение работы в том, что основу большинства естественных ландшафтов восточно-арктического побережья России составляют преимущественно плейстоценовые и голоценовые отложения с подземным льдом (льдистость свыше 50 %). Скорость разрушения таких берегов под воздействием моря весьма изменчива в пространстве и времени и достигает в отдельных районах нескольких десятков метров в год. Поэтому важнейшей прикладной проблемой динамики льдистых морских берегов является разработка принципов и методики прогноза их развития на заданный срок.
Исследования в рамках этой диссертации придают рассматриваемой проблеме надлежащую завершенность в виде научно обоснованного количественного прогноза развития термоабразии наиболее динамичных участков льдистых берегов восточных арктических морей России в связи с предполагаемыми изменениями климатических условий в XXI веке. Результаты прогноза можно использовать для целей рационального природопользования, навигационного обеспечения и контроля за инженерно- техническими сооружениями и коммуникациями на побережье, а также для выработки практических решений по социально-экономическим проблемам Арктики.
Структура диссертационной работы. Диссертация включает введение, 7 глав, выводы, список использованной литературы и приложение. Содержит 231 страницу, 62 иллюстрации, 24 таблицы, 1 приложение и список литературы из 200 наименований.
Основные обозначения:
АФС - аэрофотоснимки;
Ат (м/год) - коэффициент термической деградации подземных льдов;
Вм (год/м) - мерзлотно-морфометрический параметр;
Е (Дж/с) - поток энергии волн в единицу времени на 1 м фронта волны или 1 м береговой линии;
Н (м) - высота береговых уступов; h (м) - средняя высота волн; L (доли ед.) - содержание массивных льдов (макрольдистость) в дисперсных отложениях; п (доли ед.) - степень расчлененности берегового уступа; р (%) - суммарная повторяемость ветров, создающих условия для термоабразии берегов;
Т (С) - средняя летняя температура пород в слое годовых амплитуд;
Т.// (С) - средняя температура воздуха безледного периода (июль, август, сентябрь); t (годы) - время; t3 (сутки) - продолжительность термоабразии в течение года; te (сутки) - продолжительность безледного периода; Vd (м/год) - скорость термоденудации;
Уэ (м/год) - скорость термоабразии;
Х(км) - длина разгона волн;
2 (м) - глубина моря;
П (без разм.)- показатель абразионной активности моря; р (т/м ) - плотность льдистых дисперсных отложений; g (м/с2) - ускорение свободного падения;
Я (м) - средняя длина волн; rw (с) - средний период волн; щ (%) - коэффициент безледного времени; кг (без разм.) - гидродинамический коэффициент глубины; ks (год/м) - коэффициент сопротивления берегов; и (м/с) - средняя скорость штормового ветра; со (рад/с) - частота волн; % (м/год) - параметр неустойчивости берегов;
Л (доли ед.) - объемная суммарная льдистость пород; (м/ С год) - коэффициент стаивания льдов в обнажениях; ZT+ (С) - сумма положительных среднесуточных температур воздуха за год;
Автор глубоко признателен коллегам, помогавшим в экспедиционных и теоретических исследованиях: М.Н. Григорьеву, В.Б. Спектору, В.В. Куницкому, директору Потсдамского филиала Института полярных и морских исследований, профессору Х.-В. Хуббертену и доктору В. Рахольду, а также В. Шнейдеру и работникам Тиксинской гидробазы за практическую помощь при проведении натурных наблюдений. Выражаю искреннюю благодарность руководителям Института мерзлотоведения СО РАН, поддержавших меня советами, критическими замечаниями при подготовке работы. Я также признателен секретарю диссертационного совета М.М. Шацу оказавшему большую и разностороннюю помощь при оформлении и продвижении диссертации. Искренне благодарен профессору Ф.Э. Арэ, оказавшему большое влияние на формирование научного мировоззрения автора, за очные и заочные дискуссии по проблемам динамики морских берегов. Сердечно благодарю руководителя моей кандидатской диссертации академика АН PC (Я) М.К. Гаврилову, ценные советы которой автору пригодились и в работе над докторской диссертацией. Хочу выразить особую благодарность профессору В.В. Шепелеву за помощь, ценные советы и конструктивные дискуссии по сути представляемой к защите диссертации.
Теоретические исследования динамики берегов
Поскольку наше знакомство с льдистыми берегами арктических морей все еще очень ограничено (изучено менее 5% побережья восточных арктических морей), мы едва ли уже постигли все тонкости их динамики. Из-за отсутствия обширных наблюдений теоретические попытки, описываемые далее, являются иногда довольно абстрактными, но не в смысле их внутренней корректности, а вероятно, в смысле их непосредственного отношения к тому, что в действительности происходит на арктическом побережье. Эта ситуация может быть улучшена лишь временем и неуклонными усилиями исследователей.
Функциональные связи термоабразии арктических берегов с природными факторами не являются объектом нашего опыта, каким являются наблюдения за разрушением берегов. Простейшие измерения отступания льдистых морских берегов не позволяют сравнивать полученные данные со скоростями разрушения аналогичных берегов вне области криолитозоны. Для этого необходимо располагать комплектом данных, включающим дополнительно количественные оценки продолжительности безледного времени, повторяемости разрушительных штормов с ветровыми нагонами, динамики границы дрейфующих льдов, гидрологических и батиметрических условий. Кроме того, надо иметь представление о пространственно-временных изменениях перечисленных факторов. Итак, что касается особенностей разрушения берегов в криолитозоне, то к мерзлому состоянию слагающих их пород добавляется еще ряд специфических природных факторов.
По теории развития морских берегов [Леонтьев, 1961; Зенкович, 1962], темп их разрушения, размыва подводного берегового склона и перемещения массы наносов в основном зависит от количества волновой энергии, поступающей к берегу за определенный промежуток времени, от трансформации ее на мелководье и распределения в пределах береговой зоны. Исследования связей динамики льдистых берегов с природными факторами проводятся с недавних времен. Поэтому естественно, что пионеры теоретических исследований береговых криогенных процессов Н.Ф. Григорьев, Ф.Э. Арэ, Г.А. Сафьянов, Л.А. Жигарев, В.А. Совершаев, СВ. Томирдиаро, В.К. Рябчун, Е.С. Гоголев, А.И. Ермолаев и др. искали в гидродинамике и свойствах многолетнемерзлых пород объяснения активного разрушения льдистых берегов.
Однако термоабразионный процесс оказался более сложным, что, вероятно, может служить упреком некоторым положениям общепринятой теории развития морских берегов, основанной на материалах исследований морей умеренных и южных широт. Согласно важнейшему положению этого учения, главной причиной изменений берегов являются изменения подводного берегового склона [Зенкович, 1962]. Иными словами, динамика берегов жестко увязывается с морфодинамическими процессами на подводном береговом склоне. Полагается, что в дисперсных отложениях с увеличением уклона подводного профиля должна возрастать скорость разрушения берегового уступа. С уменьшением уклона и вогнутости профиля снижается скорость отступания берега. Стабильность подводного склона обусловливает стабильность берега. В своей монографии Ф.Э. Арэ [1985, с. 8] принимает это положение полностью справедливым и для термоабразионных берегов. Вместе с тем, он тут же отмечает, что "... разрушение термоабразионных берегов отличается рядом особенностей и подчиняется некоторым закономерностям, которые не проявляются на обычных немерзлых берегах. Морфология берегов, сложенных сильно льдистыми рыхлыми отложениями, исключительно своеобразна и динамична".
Результаты анализа опубликованных данных по морфологии и разрушению черноморских и восточносибирских берегов [Шуйский, 1978; Шеко и др., 1981; Есин, 1981; Разумов, 1996а, 2000а, б], сложенных аналогичными по составу рыхлыми пылеватыми породами, указывают на более активное развитие термоабразии по сравнению с берегоформирующими процессами вне криолитозоны. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что льдистые берега восточных арктических морей с очень отмелым подводным склоном (уклоны 0.0003-0.002) разрушаются в 3-7 раз быстрее менее отмелых берегов Черного моря с уклонами дна 0.002-0.02 при прочих равных условиях. Более подробно этот тезис рассматривается в главе 5.
Исследования динамики берегов и подводного берегового слона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, проведенные на 12 участках соискателем и с его участием [Разумов, 2000а, б; Are et al., 2000, 2001, 2002b; Grigoriev et al., 2001], показали, что упомянутые закономерности рассматриваемого учения в применении к восточно-арктическому побережью не соответствуют действительности (рис. 1.2). На некоторых относительно приглубых участках (например, на западном побережье п-ова Буор-Хая) скорости отступания мерзлых берегов значительно ниже, чем на очень отмелых побережьях мысов Крестовский, Малый Чукочий, Мамонтов Клык, Терпяй-Тумус и п-ова Широкостан. На этом рисунке хорошо видно, что скорость отступания льдистых берегов мало зависит от уклонов подводного берегового склона. Исследования динамики льдистых берегов моря Бофорта так же показали очень незначительное влияние (коэффициент корреляции 0,14) уклонов подводного берегового склона на скорость термоабразии [Hequette, Barnes, 1990].
Рассмотрим динамику двух расположенных недалеко друг от друга участков берега в районе мыса Крестовского (рис. 1.3) [Разумов, 1996в]. В 1990-1993 гг. участок береговых уступов высотой 5-Ю м (створы 8-12) отступал со средней скоростью 5,8 м/год. Он имеет относительно приглубый подводный склон, изобата 0.5 м располагается на расстоянии около 50 м от уреза. Средний темп разрушения относительно отмелого берега на участке со створами 2, 3, 5-7 составил 11.7 м/год. Высота клифов здесь 1-2 м, а изобата 0.5 м находится на расстоянии 200 м от уреза. Берега на этих участках сложены супесчано-суглинистыми отложениями озерно-термокарстового комплекса с жильными льдами и средней суммарной льдистостью пород 50%. С учетом выявленной в рассматриваемом районе зависимости скорости термоабразии от высоты береговых уступов УТА Я А [Разумов, 2001а] и прочих равных условий, темпы отступания обоих участков приблизительно одинаковы.
Исходные уравнения для моделирования динамики льдистых берегов арктических морей
Исследования проводились всеми доступными автору методами и носили комплексный характер (применялись геокриологические, геоморфологические, океанологические, топографо-геодезические и математические методы). Анализировались опубликованные данные, дистанционные материалы, сопрягаемые с данными теодолитных и реперных измерений. Экспедиционные работы были разнообразны: наземные, морские, вертолетные, вездеходные маршруты, изучение геокриологических разрезов, рельефа и динамики берегов по многолетним створам, теодолитные съемки берегов, бурение скважин, геофизическое зондирование и т.д. Исследования подводного берегового склона включали морские работы, как с судов и моторных лодок, так и с поверхности морского льда.
Активность субаквальных абразионно-аккумулятивных процессов оценивалась по результатам промеров глубин на подводном береговом склоне и шельфе, выполненных в разное время с учетом колебаний уровня моря.
Данные промеров 1956, 1962, 1974, 1978 и 1980 гг. Главного управления навигации и океанографии, которыми мы располагали, представлены в виде батиметрических карт районов восточных арктических морей масштабов 1:100000 и 1:200000. Позже в Восточно-Сибирском море промеры глубин проводились морским отрядом Янской геологоразведочной экспедиции в 1986-1988 гг. и Институтом мерзлотоведения РАН в 1990-19 гг. летом с борта экспедиционного судна "Ильменит" и моторных лодок, зимой - со льда. В случае осушения дна вблизи уреза использовались нивелирные и теодолитные измерения, а также вбитые в мерзлые породы с интервалом 5-Ю м по профилю подводного берегового склона размеченные металлические штыри длиной до 1,5 м.
Эхолотное профилирование подводного берегового склона некоторых районов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского было выполнено Российско-Германскими экспедициями в 1999-2002 гг. с борта судов "Дунай", "Софрон Данилов" и "Павел Башмаков", а также с моторных лодок (на мелководье).
Во время работ с судна привязка точек промеров осуществлялась с помощью судового навигационного оборудования. Топографо-геодезическое обеспечение работ со льда заключалось в разбивке съемочной сети рабочего обоснования с опорными пунктами на берегу моря и островах. Для определения места точек измерений использовался топографический привязчик, установленный на вездеходе ГАЗ-71.
Глубины моря измерялись с помощью установленных на судне эхолотов ПЭЛ-2 с самописцами. Измерения со льда выполнялись ручным лотом со стальным лотлинем, маркированным через 0,1 м. При промерах с моторных лодок использовались эхолот ПЭЛ-2, ручной эхолот и наметка с круглым башмаком диаметром 10 см. Промерные профили закладывались по створам, закрепленным на берегу. Места точек промеров определялись в основном методом обратных засечек по трем опорным пунктам, расположенным на берегу [Инструкция..., 1964], и в отдельных случаях -методом комбинированных засечек с использованием секстана или теодолитов [Are et al., 2002b]. Вблизи уреза моря расстояние от берега до точек наблюдений измерялось стальным мерным шнуром вдоль заложенных по береговым створам профилей.
Сопоставление глубин, измеренных в разные годы на участках шельфа, проводилось по точкам в узлах сети 2x2 км, на нормально ориентированных к береговой линии профилях - через 200-500 м в пределах подводной аккумулятивно-абразионной террасы. Для изучения внутрисезонных деформаций рельефа подводного склона в волноприбойной зоне моря измерения проводились на закрепленных береговыми створами профилях в точках, располагавшихся с интервалом 5-Ю м. В этих же точках профилей неоднократно в течение летних экспедиционных работ измерялись металлическим щупом глубины сезонного протаивания.
Колебания уровня моря во время комплексных геокриологических исследований контролировались с помощью временных (на исследуемых участках побережья) и постоянных оборудованных постов (Амбарчик, Тикси,
о. Дунай) [Разумов, 20006; Are et al., 2001, 2002а, 2003]. Приведение измеренных глубин к среднему уровню моря (т.е. к нулю стационарного футштока) во время промеров с судов, лодок и со льда осуществлялось, согласно [Правила..., 1956], по данным наблюдений на постоянных постах. Для контроля колебаний уровня моря при промерах глубин вблизи берега устанавливались временные посты. Средний уровень моря передавался на них от стационарных футштоков путем сопоставления кривых колебаний уровня на этих постах за один и тот же промежуток времени, который составлял от 18 до 35 суток. Наблюдения на временных постах проводились в течение всего периода работ в основные метеорологические сроки, а в случаях сгонно-нагонных явлений - ежечасно. Измерения уровня по рейке выполнялись с точностью до 2 см.
Измерения температуры воздуха на побережье и над акваторией выполнялись по гидрометеорологическим срокам местного времени (8 измерений в сутки). Температура воды измерялась от поверхности до дна на суточных и многосуточных якорных стоянках судна, а также разовыми промерами с помощью косы с термисторами и специализированных ртутных термометров. Кроме собственных материалов для анализа гидрологических условий использовались данные наблюдений на ближайших к району исследований гидрометеорологических станциях и любезно предоставленные нам материалы экспедиций Института океанологии ДВО РАН. Отбирались пробы из отложений берегов, подводного склона и шельфа, а также из морской воды на различные виды лабораторных анализов. Для этого применялись опрокидывающиеся и пружинные (Молчанова) батометры, грейферный пробоотборник.
Характеристики волн определялись по методике Ф. Шепарда [1976] путем усреднения элементов 10 волн, а также использовалось [Руководство..., 1969]. Измерения проводились с судов при прохождении волн вдоль борта (топографической рейкой с делениями 2 см - высота волн), длина волн сравнивалась с известной длиной борта, период - по секундомеру. При этом измерялись направление и скорость ветра по компасу и ручному анемометру. Измерения придонных течений выполнялись механической вертушкой ВММ. Положение границы дрейфующих льдов во время работ определялись по данным регулярных авиаразведок Певекского УГМС, а также по координатам судна у кромки льдов.
Влияние мерзлотно-климатических условий на активность береговых криогенных процессов
Особенности геологического строения берегов арктических морей сложились в результате совокупности природно-исторических событий, главными из которых являются: формирование геологической структуры Ледовитого океана, крупномасштабные изменения климата всей высокоширотной области и эвстатический подъем уровня мирового океана в голоцене.
Ледовитый океан представляет собой молодую геологическую структуру, наложенную на северные окраины разновозрастных континентальной и переходной коры трех материков. Его формирование началось с погружений на рубеже раннего и позднего мела [Павлидис и др.. 1998], а в палеогене произошло раздвижение глыб континентальной коры. Погружения носили неравномерный характер. Менее интенсивно погружались молодые (герцинские и мезозойские) складчатые или горноскладчатые системы, разделяющие разновозрастные платформы. Платформенные прогибы (плиты) и впадины молодых складчатых зон с утоненной континентальной или переходной корой погружались с большей скоростью. В связи с этим, молодая и сравнительно еще узкая океаническая впадина Ледовитого океана оказалась окруженной широким шельфом с корой континентального типа, разделенной морфотектоническими поднятиями на отдельные моря.
Быстрое наступление моря в голоцене привело к разнообразию генетических типов берегов [Леонтьев, 1961]. На участках положительных морфоструктур с первично расчлененным рельефом, формировались денудационно-абразионные берега. В пределах отрицательных морфоструктур происходило образование абразионно-аккумулятивных и аккумулятивных берегов.
Побережье восточных арктических морей относится к областям четвертичного погружения, различная скорость которого обусловила различия в мерзлотно-геологическом строении. При высоких скоростях погружений формировались морские отложения с пластовыми залежами и линзами льда. Относительно низкие скорости погружений или пульсирующие тектонические движения предопределили формирование континентальных толщ с многоярусными повторно-жильными льдами. Геодинамические процессы оказали максимальное воздействие на развитие берегов в зонах активного рифтогенного погружения, осложненного сейсмичностью и другими экзогенными процессами. На значительных по протяженности участках южного побережье моря Лаптевых льдистые толщи полностью деградировали и сформировались клифы, сложенные дочетвертичными породами. В меньшей степени влиянию динамического фактора подвержены берега, испытывающие остаточные нисходящие движения (побережье Восточно-Сибирского моря), и минимально этот фактор повлиял на формирование поднимающихся берегов.
Мерзлотно-геологическое строение и состав отложений криолитозоны побережья в горных районах и в приморских низменностях резко различаются. Горные участки распространены на западном побережье моря Лаптевых, между дельтой р. Лены и полуостровом Буор-Хая, на берегах восточной части Восточно-Сибирского моря и Чукотки. Они представлены в основном плоскогорно-привершинным и горно-склоновым типами с соответствующими стратиграфо-генетическими комплексами [Мерзлотные ландшафты ..., 1989].
Характерной чертой состава и криогенного строения этих участков является преобладание эпикриогенных толщ, характеризуемых трещинной криотекстурой. Синкриогенные отложения, среди которых наиболее широко развиты элювиальный и склоновый комплексы, имеют небольшую мощность. В литологическом составе преимущество имеют глыбовые развалы и глыбово-щебнистый материал с супесчано-суглинистым заполнителем (рис. 3.7).
Элювиальные отложения плоских водоразделов характеризуются постепенным переходом от материнских литифицированных пород с трещинной криотекстурой к крупнообломочному материалу с суглинистым или супесчаным заполнителем (рис.3.8). Криотекстура отложений базальная, сетчатая, иногда атакситовая. В верхней части элювия, сложенной супесями и суглинками с дресвой и щебнем, преобладают слоисто-линзовидная, корковая, а в щебнистых песках - массивная криотекстуры [Фартышев, 1993]. Склоновые отложения горных районов отличаются значительным содержанием грубообломочного материала, которое меняется в зависимости от положения на склоне, и характеризуются тем же набором криогенных текстур, свойственных элювию.
Для исследований динамики береговых криогенных процессов наиболее интересны клифы, сложенные льдистыми дисперсными породами, которые активно разрушаются в процессе термоабразии и термоденудации (рис. 3.9-3.11; приложение 1). Верхняя часть криолитозоны приморских низменностей представляет собой мощную (до 50-60 м) толщу сложно стратифицированных позднеплейстоценовых отложений ледового комплекса и вложенных в них голоценовых озерно-термокарстовых отложений [Попов, 1983; Фартышев, 1993]. Общая протяженность берегов восточных арктических морей России, сложенных указанными комплексами составляет около 5000 км [Григорьев и др., 2006]. Высота клифов на участках распространения ледового комплекса в основном 10-40, озерно-термокарстовых отложений - 1-12 м [Новиков, 1981; Арэ, 1985].
Развитие береговых криогенных процессов при переменных составляющих абразионной активности моря
Циркуляция атмосферы тесно связана с географическим распределением устойчивых барических систем. Наибольшее значение для формирования климата Арктики имеют полярный и сибирский антициклоны, исландский и алеутский циклоны. В летние сезоны периодов относительного похолодания над арктическим океаном преобладает пониженное давление. В этих условиях льды не выносятся из восточных арктических морей в океан и блокируют развитие волнения у берегов. Летом в периоды относительных потеплений над СЛО преобладает повышенное давление - развивался полярный антициклон, обусловливающий активный вынос дрейфующих льдов из арктических морей и развитие термоабразии.
Проанализировав опубликованные и собственные данные, Ф.Э. Арэ [1985] предположил, что с начала 1950-х до середины 1970-х гг. имело место некоторое замедление морской термоабразии. По его мнению, возможная причина такого явления заключается в увеличении ледовитости арктических морей вследствие окончания потепления 1880-1940 гг. Это потепление выразилось в повышении среднегодовой температуры воздуха на побережье моря Лаптевых примерно на 2С, в районе устья Колымы - на 1С, далее на восток - на десятые доли С.
С середины XX века началось похолодание. Среднегодовые температуры воздуха понизились в Карском, Лаптевых и Восточно-Сибирском морях на 3, 2 и 1С, соответственно [Волков, Захаров, 1977]. Похолодание сопровождалось увеличением площади многолетних льдов в Арктическом бассейне на 6% за 20 лет. Средняя толщина льдов за это же время увеличилась в Карском море на 30 см, в море Лаптевых на 7 см, в Восточно-Сибирском осталась без изменений. В то же время к востоку от Медвежьих островов ледовые условия улучшились. Очевидно, что указанные изменения ледовой обстановки в арктических морях (кроме Чукотского и восточной половины Восточно-Сибирского моря) уменьшили продолжительность безледного периода и длину разгона волн, что не могло не замедлить разрушение термоабразионных берегов. Вывод Ф.Э. Арэ совершенно справедлив и подтверждается данными современных публикаций по восточным арктическим морям (рис. 3.13). Правда, здесь в связи с похолоданием площадь льдов увеличивалась более существенно (на 40-50%), чем в среднем по всему Арктическому бассейну.
Морские льды почти мгновенно реагируют на межгодовые изменения летних температур воздуха. Нормированный коэффициент корреляции между аномалиями температур и площадью льдов по 45 парам синхронных значений в выборке составил -0.8236. При временном сдвиге между значениями рассматриваемых характеристик в любую сторону коэффициент корреляции уменьшается. Например, при сдвиге величин площади льдов относительно температур воздуха на 1-2 года вперед его величина уменьшится до -0.8198... -0.7561, а при сдвиге на 1-2 года назад - до -0.7161...-0.538.
Особенности климатической изменчивости в Арктике рассмотрим в связи с динамикой берегов восточных макроциркуляционными процессами в атмосфере и арктических морей. Многолетняя изменчивость климатических условий, существенно влияет на темп переработки морских термоабразионных берегов, в основном, через изменения средней температуры воздуха безледного времени и повторяемости штормовых ветров морских направлений, вызывающих высокие нагоны.
Известно, что климатические характеристики подвержены разнопериодической изменчивости, связанной с естественными колебаниями климатообразующих факторов. С изменениями радиационных характеристик климата связаны суточные и сезонные колебания термического режима, а также циклы от 7-11 лет до 180-200 миллионов лет [Гаврилова, 1987]. На эти колебания накладываются климатические вариации, обусловленные макроциркуляционными процессами, имеющие свои ритмы изменчивости. Создается чрезвычайно сложная картина векового хода метеорологических характеристик. При этом наложение колебаний разного периода друг на друга усиливает или ослабляет те или иные климатические проявления.
Собственно об изменениях климата судят по крупномасштабным колебаниям метеорологических элементов, охватывающим обширные территории на длительное время. Межгодовая изменчивость подчеркивает лишь неустойчивость климатических процессов. Вместе с тем даже за относительно короткий (менее 100 лет) период метеорологических наблюдений можно выделить сложные климатические изменения. Примером могут служить скользящие 10-летние изменения среднегодовой температуры воздуха по данным метеостанций Доусон (Аляска), Салехард, Упернавик (Гренландия), Якутск [Общее мерзлотоведение, 1974; Гаврилова, 1987]. В Гренландии с 1880-х до середины 1930-х средняя годовая температура воздуха повысилась почти на 4С. Максимум потепления отмечен в 1927-1936 гг. (рис. 3.14). С некоторым запозданием и ослаблением в максимуме это потепление распространилось на север России и Северной Америки. В Якутске оно было слабо выражено и отмечалось как лишь очередное циклическое изменение. Максимум потепления здесь приходился на вторую половину 1920-х и 1930-е годы и не превышал 0.5 С.
В восточной Арктике потепление началось во втором десятилетии XX века и достигло максимума в 1936-1945 гг. синхронно с максимумами среднегодовой температуры на Аляске и севере западной Сибири, когда в Гренландии уже началось похолодание.
Климат Арктики, как и всякой другой области планеты, определяется не только радиационно-тепловыми условиями, но и процессами общей циркуляции атмосферы, крупные изменения которой оказывают сильное влияние на интенсивность охлаждения и нагревания верхнего слоя воды в океане и поверхности суши. В свою очередь, аномалии в тепло- и влагообмене между нижними слоями атмосферы и подстилающей поверхностью служат одной из главных естественных причин длительных потеплений или похолоданий [Доронин, 1969; Шалаев, 1974].
