Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие представления о динамике климата 6
1.1 Обзор современных представлений о естественной динамике климата 6
1.2 Краткий обзор сценариев глобального потепления климата 18
1.3 Глобальное потепление и реакция криолитозоны 30
Глава 2. Методика прогнозной оценки динамики криолитозоны в связи с естественноисторическими и антропогенными изменениями климата 41
2.1 Методика назначения верхних граничных условий и прогноза температурного режима грунтов 41
2.1.1 Прогноз естественной динамики климата 41
2.1.2 Прогноз динамики климата с учётом глобального потепления за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере 48
2.2 Методика прогноза осадки оттаивающих отложений включающих ледяные жилы 57
2.3 Методика прогноза осадки оттаивающих грунтов при глобальном потеплении климата за счёт вытаивания текстурообразующего льда 60
Глава 3. Геокриологические условия исследуемых территорий 64
3.1 Европейский Север России 64
3.1.1 Геолого - географические условия 64
3.1.2 Распространение, мощность и среднегодовая температура ММП 69
3.1.3 Состав, криогенное строение и льдистость отложений 80
3.2 Западная Сибирь 86
3.2.1 Геолого - географические условия 86
3.2.2 Распространение, мощность и среднегодовая температура ММП 93
3.2.3 Состав, криогенное строение и льдистость отложений 99
Глава 4. Прогноз температурного режима пород в результате естественной динамики климата и глобального потепления 110
4.1 Европейский Север России 110
4.2 Западная Сибирь 127
4.3 Прогноз температурного режима многолетнемёрзлых пород Европейского Севера России и Западной Сибири при различных трендах повышения температуры воздуха 138
Глава 5. Потенциальная возможность развития термокарста на севере Европейской части России и в Западной Сибири в связи с возможными климатическими изменениями 146
5.1 Современные представления о природе и закономерностях развития термокарста 146
5 2 Прогноз термокарста на участках распространения повторно-жильных льдов 155
5.3 Прогноз потенциальной возможности развития термокарста за счёт вытаивания такстурообразующего льда 163
Глава 6. Карты прогноза геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири в связи с естественной динамикой климата и с учётом глобального потепления за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере 169
Заключение 183
Список литературы 185
- Краткий обзор сценариев глобального потепления климата
- Методика прогноза осадки оттаивающих грунтов при глобальном потеплении климата за счёт вытаивания текстурообразующего льда
- Европейский Север России
- Прогноз потенциальной возможности развития термокарста за счёт вытаивания такстурообразующего льда
Введение к работе
Актуальность темы, В последние десятилетия большой интерес вызывает проблема глобальных климатических изменений, связанных как с естественно-историческими вариациями экосистем Земли, так и с хозяйственной деятельностью человека. Особенно остро проблема глобального потепления климата, устойчивая тенденция которого наблюдается примерно с середины XX века, может затронуть те регионы России, где сейчас существуют многолетнемёрзлые породы (ММИ). В случае осуществления многочисленных прогнозов, имеющихся на сегодняшний день и предполагающих сохранение тенденции повышения среднеглобальной температуры воздуха в XXI веке за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере, в северных регионах России можно ожидать неизбежной реакции оіромньгх массивов многолетнемёрзлых пород, выражающейся в повышении температуры пород, оттаивании \4МП, осадке поверхности оттаивающих льдистых отложений, новообразовании и активизации криогенных геологических процессов. Это, в свою очередь, может привести к уменьшению несущей способности оттаявших отложений, в результате чего можно ожидать нарушений функционирования инженерных, сооружений эксплуатируемых на сегодняшний день в криолитозоне. Таким образом, неучёт фактора глобального потепления при строительстве новых и эксплуатации уже построенных сооружений в области распространения многолетнемёрзлых пород может привести к весьма существенным убыткам для экономики и хозяйства России, связанным с ликвидацией последствий оттаивания массивов ММП.
Цель и задачи работы. Цель настоящей работы - оценить изменения геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири как в связи с естественной динамикой климата, так и в связи с глобальным потеплением климата в XXI веке.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Обобщить и проанализировать имеющиеся на сегодняшний день представления о динамике климата в прошлом и будущем.
-
Выявить закономерности изменешм среднегодовой, максимальной и минимальной среднемесячной температуры воздуха по данным инструментальных
метеонаблюдсний и осуществить прогноз ей изменений в XXI веке при естественно-исторических изменениях и с учётом различных сценариев потепления климата.
3) Изучить пространственные и временные закономерности изменения
геокриологических условий исследуемых регионов при естественно-исторической
динамике климата и с учётом глобального потепления.
-
Установить закономерности развития осадки поверхности оттаїшающих льдистых отложений и возможность развития процессов термокарста.
-
Составить карты прогноза изменения геокриологических условий исследуемых регионов на 2100-й год при различных вариантах возможных климатических изменений.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- На основе гармонического анализа данных метеонаблюдений получены
аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать динамику температуры
воздуха и ММП в будущем при естественно-исторических изменениях климата;
Получены пространственно-временные закономерности эволюции мёрзлых и талых пород различного состава в результате естественно-исторической динамики климата и выявлены промежутки времени, когда наиболее вероятным становится возникновение перелетков мёрзлых пород в талых породах, или образования нссливающейся мерзлоты в области распространения высокотемпературных ММП.
Установлены количественные закономерности изменения геокриологических условий: времени начала оттаивания ММП, изменения температуры многолетнемёрзлых пород, глубины оттаивания в фунтах различного состава при различных сценариях глобального потепления климата;
Осуществлён прогноз возможной осадки поверхности оттаявших льдистых отложений и развития термокарста при возмолшом глобальном потеплении климата за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере;
Составлены карты прогноза изменения геокриологических условий Европейского Севера России и Западной Сибири масштаба 1:2 500 000 на 2100-й год при естественной динамике климата и при различных трендах повышения температуры воздуха за счёт увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере.
2 .
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты настоящих исследований могут быть использованы для обоснования выбора принципов и методов строительства различных сооружений в области криолитозоны; разработки мероприятий по защите уже эксплуатируемых сооружений от негативных последствий, связанных с повышением температуры и оттаиванием мёрзлых пород; принятия оптимальных технико-конструктивных решений строительства и эксплуатации сооружений; разработки рекомендаций по управлению мерзлотными процессами в целях охраны природной среды и инженерной защите территорий.
Полученные в результате выполненных исследовании материалы были использованы при написании двух научно-технических отчетов.
Личный вклад автора. В ходе исследований с личным участием автора проведено изучение и обобщение современных представлений о закономерностях динамики климата, прогнозов его изменений и возможной реакции ММП; проведены многочисленные прогнозные расчёты для различных районов криолитозоны; на основе расчётов установлены частные количественные закономерности изменения геокрнолопгческих характеристик ММП и составлены прогнозные карты масштаба 1 : 2 500 000.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Мониторинг криосферы" РАН (Пущино,1999), па "Ломоносовских чтениях" (Москва, 1996 и 1999), на "Первой конференции геокриологов России" (Москва, 1996). По теме исследований опубликовано 5 работ. В 2000 году автор стал лауреатом конкурса молодых учёных МГУ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста. Работа включает 15 таблиц, иллюстрирована 85 рисунками. Список использованной литературы составляет 79 наименований.
Автор глубоко признателен за понимание и поддержку во время написания работы своей маме Татьяне Петровне Чепурновой. Автор выражает свою глубочайшую признательность своим научным руководителям - профессору Э.Д. Ершову и доценту СЮ. Пармузішу, без помощи и научного руководства которых, эта работа была бы невозможна. Особо хотелось бы поблагодарить А.В. Медведева за помощь при освоеіши расчётных программ. Искреннюю
признательность за помощь и научные консультации автор выражает А.И. Тюрину, В.Н. Зайцеву, Т.Ю. Шаталовой, Ю.К. Васильчуку, А.Н. Козлову, а также всем сотрудникам кафедры геокриологии МГУ и друзьям, помогавшим при написании и оформлении работы.
Краткий обзор сценариев глобального потепления климата
Хорошо известно, что такие газы, как углекислый (С02), метан (СН4), закись азота (N20), диоксид серы (SCb), озон (Оз) и некоторые другие, практически прозрачны для поступающей на Землю коротковолновой солнечной радиации, однако эти газы экранируют потоки длинноволнового излучения, идущего от поверхности Земли, создавая так называемый "парниковый" эффект. Среди источников парниковых газов различают два: природный и техногенный.
Развитие земли определяется суммированием двух основных составляющих: направленно-поступательной эволюции и периодических многопорядковых колебаний интенсивности различных процессов. На сегодняшний день накоплен большой фактический материал о существовании большого числа природных ритмов или колебаний различного генезиса. В основе этой цикличности, и особенно климатической, лежат космоастрономические (внешние), геологические (внутренние) и биогеохимические (поверхностные) процессы. Установлено несколько групп климатических колебаний, включающих в себя ритмы определенного порядка, которым с большей или меньшей точностью соответствуют "теплые" или "холодные" эпохи в развитии Земли.
В последние годы получен большой и уникальный по своему значению фактический материал, позволяющий сделать выводы о связи изменений концентраций парниковых газов в атмосфере с периодами относительных похолоданий и потеплений за последние 150 тыс. лет. Эти данные получены по результатам глубокого бурения и изучения ледового керна на Антарктической станции "Восток", и частично, по результатам бурения в Гренландии. Когда фирн превращается в лёд, атмосферный воздух замыкается в пузырьках. Поэтому, экстрагируя газ из пузырьков, можно получить данные о прошлом составе атмосферы. Такие данные, полученные при изучении гренландского керна привели к следующим главным выводам: 1) в последний ледниковый максимум содержание С02 в атмосфере было на 35 - 40 % ниже, а СН4 на 40 - 50 % ниже, чем в голоцене; 2) увеличение количества С02 вследствие антропогенной деятельности человека с начала XIX в. хорошо отражено во льду [ Котляков и др. , 1992]. Принципиально новые данные принёс ледяной керн из скважины на станции Восток. Данные по С02 демонстрируют значительные различия между двумя уровнями с низкими и высокими значениями, характерными для ледниковых и межледниковых условий соответственно. Несмотря на некоторые различия, имеется хорошая корреляция между содержанием С02 и изменениями температуры ( рис. 1.9), что даёт прямое доказательство близкой связи между атмосферным С02 и климатическими изменениями на всём протяжении леднйкоБО-межледниксвых эпох. Аналогичные связи получены также для концентрации метана в атмосфере. Анализы образцов кернов из скважин в Гренландии и Антарктиде показали увеличение содержания СНЦ в голоцене в два раза, по сравнению с последним ледниковым максимумом и аналогичное увеличение СН4 параллельно с ходом температуры на станции Восток при переходе от предыдущей ледниковой эпохи к последнему межледниковью, что подверждается детальным и непрерывным профилем содержания СКЦ на станции Восток (см. нижнюю кривую на рис. 1.9). Из графиков видно, что между кривыми содержания СОг и СН4 имеются значительные различия , однако корреляция их хода с температурным профилем одинакова ( г = 0.88 ) [Котляков и др. , 1992]. Таким образом, прослеживается чёткая связь между колебаниями температуры воздуха и изменениями концентрации в атмосфере парниковых газов.
Из недр Земли на поверхность идет постоянный поток неорганического углерода в виде СО2. Этот процесс направленный и происходит в течение длительного (в геологическом смысле) времени. Часть потока углерода в результате физико-химических процессов откладывается в горных породах, выбывая из биосферы, но оставшаяся часть, порядка 0.01 Гт в год должна была бы накапливаться в ней и за 1 млрд. лет, запас углерода в биосфере возрос бы в 10 тыс. раз и атмосфера Земли, подобно атмосфере Венеры превратилась бы в углекислую. Этого не произошло благодаря тому, что на протяжении всего доиндустриального существования Земли кроме физико-химического вывода углерода из биосферы, активную роль играл биотермический механизм. Однако сейчас в результате нерационального, варварского использования естественных природных ресурсов, роль биотермического механизма существенно нарушена, и равновесие утеряно. То же происходит и с потоком органического углерода, где теряется связь между продукцией и деструкцией, в результате чего концентрация "природного" углерода в атмосфере стала повышаться. На протяжении своего существования биота Земли спокойно сосуществовала с вулканическими выбросами любой интенсивности, состав которых схолс с антропогенными, и могла быстро, в течении первых десятилетий вывести продукты извержений из атмосферы, действуя совместно с физико-химическими процессами. Однако колоссальное разрушение человеком биоты приводит к тому, что она уже не может выполнять своих функций в полном объеме.
Современные изменения концентрации парниковых газов хорошо документированы по данным полярных ледниковых кернов ( см. выше). Как видно на рис.1.10, концентрация атмосферного СО: составляла 280 ppmv (частей на миллион), в 20 - х годах XX в. она возросла до 300, а в начале 60-х годов до 320 ppmv; до индустриальная концентрация NO2, была около 285 ppmv, а сейчас составляет 310 ppmv; содержание CFL R атмосфере удвоилось [Котляков и др. , 1992]. Человек вторгся в сбалансированные природой естественные потоки веществ в атмосфере Земли, резко увеличив выбросы в нее ряда веществ, не обеспечив их вывода из атмосферы. Так, мощность потока вулканов и гейзеров из недр Земли составляет 0.3 Твт, а антропогенная мощность на 90% получается за счет сжигания ископаемого топлива и достигает 10 Твт, то есть человек на два порядка превысил возможность природы загрязнять атмосферу (табл. 1.3). В 1990 году в мире в атмосферу выбрасывалось более 400 млн.т. четырех главных поллютантов (С02, СЩ. NOx, хлорфторуглероды). Рост концентрации по усредненным оценкам в атмосфере в год составил: для углекислого газа 1.5%, для метана 0.9%, для хлорфторуглеродов 4 %, для оксидов азота 0.2 %. Часть газов, выбрасываемых в атмосферу, выводится из нее в результате различных биогеохимических процессов, о чем говорилось выше, однако значительная часть газов остается в атмосфере. На сегодняшний день углекислого газа выводится примерно 2/3, метана 4/5, хлорфторуглеродыоды практически полностью остаются в атмосфере, поэтому концентрация парниковых газов постоянно растет 2/3 загрязнений атмосферы от стационарных источников дают предприятия металлургического, энергетического и нефтехимического комплексов, где происходит сжигание основной массы ископаемого топлива. [Данилов - Данилян и др. , 1994].
Поскольку увеличение концентраций СОг и других парниковых газов приводит к нагреванию поверхности Земли и нижних слоев атмосферы, ожидаемое воздействие на климат, а также на другие характеристики и компоненты глобальной системы (например, уровень моря, состояние криолитозоны, сельское хозяйство и др.), должно рассматриваться как следствие совокупного вклада в потепление всех парниковых газов. Основной характерной особенностью проблемы СОг являются неопределенности в оценках роли антропогенного изменения содержания в атмосфере парниковых газов, сложности в разработке математических моделей изменения глобального климата с учетом всего комплекса взаимосвязанных факторов, определяющих формирование температурного состояния атмосферы.
Тщательные измерения содержания атмосферного углекислого газа были начаты в 1957 г. Килингом в обсерватории Мауна-Лоа [Bacastow, Keeling, 1981]. Эти измерения, как и измерения, проводимые на станции Южный полюс, представляют собой ценную геофизическую информацию, необходимую для исследования углеродного цикла (рис 1.11). Средняя концентрация СОт в атмосфере в 1984 г. составляла 343 ±1 млн"1. Регулярные измерения содержания атмосферного СОг приводятся также на ряде других станций В целом они подтверждают наличие годового хода атмосферной концентрации углекислого газа и постоянного его роста со временем, кяк следует из рис 1.11.
Методика прогноза осадки оттаивающих грунтов при глобальном потеплении климата за счёт вытаивания текстурообразующего льда
При прогнозе осадки оттаивающих грунтов крупных массивов многолетнемёрзлых пород северных регионов России в одномерной постановке нами использовались два независимых метода, разработанных на кафедре геокриологии: программа WARM, суть использования которой рассмотрена в (2.2), и программа, речь о которой пойдёт в настоящем параграфе.
В настоящее время в области распространения многолетнемёрзлых пород большое значение приобретает изучение экзогенных геологических процессов (ЭГП), включающее три аспекта. Первый аспект - оценка среды, условий и факторов их взаимодействия, которые определяют тип и механизм ЭГП и локализацию их проявлений; второй -выявление закономерностей распространения, оценка направленности и интенсивности проявления и развития ЭГП; третий - вероятное или действительное взаимодействие с инженерным обьектом, то есть прогноз реакции приповерхностной геосистемы на техногенное воздействие, выраженной через активизацию ЭГП. При этом целесообразно говорить о мониторинге не экзогенных процессов, а приповерхностных систем, развитие которых выражено через экзогенный геологический процесс. Используемая нами математическая модель осадки отложений позволяет количественно оценить условия, способствующие её развитию, и оценить зависимости многих факторов, в первую очередь взаимодействия температурных и влажностных факторов в различных грунтах [Баранова, 1992].
Расчёты осуществлялись по программе, разработанной на кафедре геокриологии Н.А.Барановой и А.В.Медведевым, которая составлена на языке FORTRAN -77 (IV) и представляет собой описание разностного алгоритма со сглаживанием коэффицентов для численного решения одномерной многофронтовой задачи типа Стефана для дисперсных пород. Постановка задачи допускает существование внешнего фронта, который определяет понижение поверхности горных пород в процессе денудации рельефа. Квазилинейное уравнение теплопроводности, представляющее как процесс теплопередачи, так и тепловыделение на неизвестных границах фазового перехода воды, содержит эффективную теплоёмкость , в общем случае слоистой среды зависящую от глубины X и температуры t. [Ершов и др. Геокриологические реконстукции , 1996].
Математическая модель, учитывающая осадку льдистых отложений при их оттаивании предполагает, что закон изменения уровня поверхности во времени h j (т) вследствие осадки оттаивающих отложений, линейный: h j (т) =JJ. (T). где - оттаявший слой, р = const 0. Осадка зависит от соотношения объёмной льдистости горных пород Wo и объёмной влажности минеральных агрегатов Wa.
В единице объёма мёрзлого грунта содержится 1ц. частей ледяных включений и Wa (1- ц) частей минеральных агрегатов. Сумма этих составляющих равна исходной влажности Wo , т.е. W0 = 1 + Wa (1 - ц ).
В результате оттаивания ледяных шлиров в грунте образуется объём воды X; при оттаивании порового льда возникает Y воды. Таким образом, оттаивание единицы объёма мёрзлого грунта с влажностью Wo приводит к образованию объёма воды R: R = X + Y + W,l3, где WH3- объём незамёрзшей воды в единице объёма грунта.
Если известна величина предельной объёмной влажности грунта Wj , тогда влажность талого грунта WT можно рассчитать по формуле: WT= R, если R Wt; или WT = Wj, если R W;.
В модели предполагается, что если R Wj , то избыточная влага отжимается или стекает. При этом образуется осадка поверхности [Баранова, 1992].
Глубина расчётной области, принимаемая для геокриологических расчётов изменялась от 50 до 200 - 300 м в зависимости от мощности ММП в раинах исследований. В пределах расчётных областей выделялись комплексы пород различной мощности и дитологического состава, характерные для исследуемых областей. Для каждого из выделенных комплексов пород в зависимости от их физических свойств и обводнённости задавались значения влажности, коэффицентов теплопроводности и объёмной теплоёмкости в талом и мёрзлом состоянии и теплоты фазовых переходов. На нижней границе расчётной области задавалось постоянное значение геотермического градиента , характерного для района исследований. На верхней границе расчётной области, по аналогии с программой "Тепло", задавалось граничное условие III - го рода ( среднемесячные температуры воздуха, снежный и растительный покров ), что отображено в гл. 2.1. Кроме того, для определения реакции ММП и динамики её поверхности в широком спектре возможного повышения температуы воздуха нами использовались различные тренды повышения температуры воздуха - от 0.01 до 0.06 С/год.
Анализ фактических, построенных по данным инструментальных наблюдений за температурой воздуха кривых, и кривых изменения температуры воздуха, полученных при помощи гармонического анализа позволяет говорить об их достаточно хорошей сходимости. Из этого следует, что для целей прогноза температурного режима грунтов и возможного развития криогенных процессов, наряду с многолетними данными метеонаблюдений можно использовать ход температуры воздуха, полученный путём гармонического разложения. Кроме влияния глобального потепления климата на изменение геокриологических характеристик массивов мёрзлых пород, необходимо также оценить влияние естественной динамики климата на температуру и глубину промерзания или оттаивания талых и мёрзлых пород, а именно: как повлияют отдельные холодные годы на массивы достаточно низкотемпературных талых грунтов; и наоборот, как скажутся отдельные тёплые годы на режиме высокотемпературных мёрзлых пород.
Европейский Север России
На территории Европейского Севера России выделяются различные мерзлотно -температурные зоны, где современные значения температуры многолетнемерзлых пород изменяются в широких пределах: от -5....-7С до близких к нулю значений.
Для каждой из этих зон была выбрана метеостанция, климатические характеристики которой обрабатывались в соответствии с вышеизложенной методикой (см. гл. 2.1): Мезень, Петрунь, Воркута и Амдерма.
Для области распространения ММП. современная температура которых не превышает -1С а мощность не более 25-30 метров, прогнозные расчёты велись с использованием мегеоданных м/ст Мезень. Глубина расчетной области составила 50 м, причем до 2 м расчетная область делилась на блоки по 0,2 м, ниже по 0,4; 1; 1,5; 3 и 4 м, а вблизи подошвы ММП - по 1м. Общее количество блоков составило 38. Тепловой поток на нижней границе расчетной области, в соответствии с приведённой в (2.1) методикой был задан постоянным, равным 0,056 ккал/(м2 ч).
На первом этапе расчетов при средних за период с 1945 по 1949 гг. климатических параметрах было определено начальное распределение температуры пород по глубине. Геологический разрез, огибающие температурных кривых (максимальные и минимальные в годовом цикле) в начальный момент времени показаны на рис.4.1.
Мощность слоя сезонного оттаивания (СТС) на начальный момент времени в условиях периодически установившегося режима равна 0.85 м, мощность ММП - 24.2 м, глубина нулевых годовых амплитуд равна 14 м, где температура ММП составила - 0.4 С, диапазон изменения температуры пород на глубине 10 м в годовом цикле от - 0.5 до - 0.45 С.
Прогнозные расчеты динамики температурного поля пород при естественноисторической динамике климата начаты с пятилетки 1945-1950 гг. Температура грунтов на глубине 10 м изменяется от -0,8 до О С. Максимальное значение температуры грунтов на этой глубине прогнозируется в 2015-2020 гг. и составляет О С (рис.4.2). В этот период по всей глубине мерзлой толщи температура пород близка к О С (рис.4.1). Начиная с 2020 - 2025 гг. ожидается закономерное понижение среднегодовых температур пород (рис.4.2).
Глубина сезонного оттаивания, осредненная по пятилеткам, изменяется от 0.75 до 1.2 м. Прослеживается тенденция к постепенному сокращению СТС в будущем. Однако в период максимального повышения температур воздуха и, как следствие, грунта в период 2010 - 2020 гг. отмечается разобщение слоя сезонного промерзания с ММП (рис.4.2.). Мощность талого прослоя невелика - около 0.2м.
Небольшая динамика глубины сезонного оттаивания объясняется наличием мощного мохового покрова, обладающего высоким термическим сопротивлением, экранирующим толщу пород и "гасящим" температурные волны. Динамика температур воздуха приводит не только к изменению температурного режима всей толщи пород, но и вызывает их оттаивание снизу. Этот процесс начинается примерно с 2000 г., и к 2050 г. ММП оттаивают снизу более, чем на 1 м, после чего вновь начинается аградация ММП (рис.4.2.)- Для района выполнена оценка влияния возможного глобального потепления климата на изменение геокриологических условий. В качестве базового был выбран сценарий глобального потепления климата, предложенный ИГКЭ. Однако и другие сценарии также не могут быть не учтены, поэтому в качестве примера для района г. Мезень был произведен расчет как по сценарию В.Вашингтона, так и по сценарию ИГКЭ.
Значения температуры воздуха при потеплении климата в будущем были получены путём коррекции ранее полученного при гармоническом анализе естественно-исторического хода температуры воздуха, при его естественной динамике, путём пропорционального увеличения tcp, tmin, и tmax воздуха в соответствие с климатическими сценариями (рис.4.3). Далее , используя уже полученное распределение температурного поля пород был произведен расчет с новыми верхними граничными условиями (температурой воздуха). В результате расчетов было установлено, что по сценарию В. Вашингтона многолетнее оттаивание ММП начнется примерно в 2005 г. и достигнет к 2080 г. глубины 14.5 м, а сезонное промерзание к 2080 г. не превысит 0,4 м. Подошва ММП оттает снизу до 23,5 м, т.е. примерно на 2 м (рис.4.4.). Уже через 25 лет после начала потепления, температура на глубине нулевых годовых амплитуд повысится до О С (рис.4.5.). При этом, здесь и далее, мы можем говорить о том, что "глубина нулевых годовых амплитуд" в условиях постоянного повышения температуры и оттаивания массивов ММП, т.е. при неустановившемся режиме является достаточно условной величиной; поэтому в условиях нестационарного температурного поля за глубину нулевых годовых амплитуд мы будем принимать её начальное положение. Огибающие температурного поля пород сместятся к 2080 году в положительный спектр температур фактически полностью, и лишь небольшая 8-метровая толща пород будет находиться в состоянии оттаивания (рис.4.1.).
С еще большей интенсивностью идет потепление по сценарию ИГКЭ. Многолетнее оттаивание ММП с поверхности начинается в том же 2005 году, однако к 2100 году достигает глубины 16 метров, а сезонного промерзания, пришедшего на смену сезонному оттаиванию на конец расчетного периода уже практически не происходит. Оттаивание ММП снизу достигает 2.5 метров, а огибающие температурных кривых также смещаются в положительный спектр температуры.
Для этой же области с современной температурой ММП от 0 до -1 С, но с большей мощностью мёрзлых пород, для более полного анализа влияния естественно-исторической динамики климата на высокотемпературные массивы ММП, расчёты проводились с использованием метеоданньгх м/ст Петрунь, обработанных по изложенной в (2.1) методике. Глубина расчетной области составила 52 м, до 2 м размер блоков задавался равным 0.2 м, ниже они увеличены до 2 м, и у подошвы ММП снова сокращены. Всего расчеты велись по 43 блокам.На подошве расчетной области тепловой поток был задан равным 0.045 ккал/(м2 ч).
Последовательность выполнения прогнозных расчетов аналогична проведенным выше. На рисунке 4.6. приведены средние по пятилеткам значения среднегодовой, максимальной и минимальной среднемесячной температуры воздуха и амплитуды колебаний среднемесячной температуры воздуха. Также как и в предьщущих расчетах параметры снежного и напочвенного растительного покровов оставались неизменными в течение всего расчетного периода. Максимальная за зиму мощность снега составляла 0,65-0.75 м. Термическое сопротивление напочвенной растительности (увлажненный моховой покров) в теплый период составляло 0.53 м" чС/ккал, в холодный - 0,25 м чС/ккал.
Долгосрочный прогноз динамики мерзлотных условий показал их высокую изменчивость, выразившуюся, в целом, в уменьшении их суровости. Вслед за изменением среднегодовой температуры воздуха температура ММП на глубине 10 м начиная с момента расчетов непрерывно повышалась с 0.5 С и начиная с 1979 г. приблизилась к 0 С и оставалась неизменной до конца прогнозных расчетов (рис.4.7.). Мощность ММП непрерывно сокращалась и к 2080 г. уменьшилась до 26,5 м.
Прогнозируемые изменения климатических параметров приводят к достаточно сложной картине изменения мерзлотных условий в пределах верхней 1.5-метровой толщи пород (рис. 4.8). Начиная с 1969 г. можно говорить о начале процесса многолетнего оттаивания мерзлых грунтов. Мощность слоя многолетнего оттаивания невелика и к 1984 г. не превышает 1 метра. Глубина сезонного промерзания грунта в этот период составляет около 0.6 м. Некоторое понижение среднегодовой температуры воздуха в период 1984-1989 гг. приводит к тому, что глубина зимнего промерзания грунтов начинает превышать глубину сезонного оттаивания - формируется маломощный перелеток мерзлых грунтов.
Положение заглубленной кровли мерзлых пород на этом отрезке времени стабильно , поскольку в интервале глубин от подошвы перелетка до верхней поверхности мерзлых пород формируется безградиентная зона.
Повышение среднегодовой температуры воздуха, прогнозируемое до 2010-2015 гг., вновь вызывает активизацию многолетнего протаивания и к 2015 г. глубина протаявшего слоя увеличивается до 1.5 м, мощность слоя сезонного промерзания остается практически неизменной и составляет 0.55-0.6 м.
Похолодание, прогнозируемое после 2015 г., сопровождается новообразованием мерзлоты, которое продолжается на протяжении почти 30 лет до 2045-2050 гг. Поскольку верхняя часть разреза пород сложена торфом с малыми коэффициентами теплопроводности и значительными затратами тепла на фазовые переходы, процесс промерзания протекает медленно и мощность слоя промерзшего грунта не превышает 1 метра. Таким образом, на протяжении этого отрезка времени фиксируется трехслойное строение толщи мерзлых пород: слой сезонного оттаивания мощностью около 0.6 м, затем до глубины 1 м прослой мерзлого грунта, ниже до глубины 1.5 м - талый грунт, подстилаемый многолетнемерзлым грунтом.
В дальнейшем динамика температуры воздуха приводит к еще более сложной картине геокриологического разреза: отмечается многослойное чередование прослоев мерзлых и талых пород по вертикали (рис.4.8).
Прогноз потенциальной возможности развития термокарста за счёт вытаивания такстурообразующего льда
Из результатов моделирования, рассмотренных в главе 5.2 видно, что при задании в качестве верхнего граничного условия устойчивого тренда повышения температуры воздуха, для определения величины оттаивания и осадки поверхности оттаявших пород, наличие или отсутствие бессточного термокарстового водоёма не будет решающим. Поэтому, при решении одномерного варианта задачи, предполагающего осадку поверхности за счёт вытаивания текстурообразующих льдов, по методике, изложенной в (2.3), мы не рассматривали возможность образования бессточного термокарстового озера. При этом изучались все мерзлотно-температурные зоны Европейского Севера и Западной Сибири; моделирование проводилось для разрезов, сложенных супесчано-суглинистыми отложениями, песками и торфом (свойства грунтов см. в гл. 2), для различных трендов возможного повышения среднегодовой температуры воздуха: от 0.01 до 0.06 С/год.
В результате оттаивания больших массивов горных пород (см. гл. 4), особенно сложенных супесчано-суглинистыми отложениями, можно ожидать осадку их дневной поверхности, в основном за счёт вытаивания текстурообразующего льда (за исключением областей, в разрезе которых находятся мономинеральные ледяные тела). Расчёты показали, что осадку поверхности в результате оттаивания ММП можно ожидать даже в областях, где современная температура пород составляет -5.0 -7.0 С. Здесь осадка поверхности может изменяться от первых десятков сантиметров при начальной льдистости пород, не превышающей 0.2, до 1.5 метров при величинах начальной льдистости, превышающих 0.4. В пределах мерзлотно-температурных зон с более высокими температурами ММП, вслед за увеличением глубины многолетнего оттаивания мёрзлых пород, увеличивается и осадка поверхности оттаивающих отложений, достигающая максимальных значений порядка 5.5-6.5 метров в области распространения ММП с современной температурой от 0 до -1.0 С. Причём осадка поверхности будет зависеть от глубины оттаивания, которая определяется трендом потепления и льдистостью оттаивающих пород. Поэтому диапазон изменения величин осадок может быть очень высок: так, например, в области с современной температурой от 0 до -1.0С к 2100-му году этот разброс значений возможной осадки может достигать 6-ти и более метров (Табл.5.2). При этом надо отметить, что для развития такого геологического процесса как термокарст требуется определенное время и набор определенных условий. Поэтому время начала многолетнего оттаивания и осадки оттаивающих отложений свидетельствует о том, что с этого момента потенциально возможно зарождение и развитие термокарста. Для наглядного отображения выше сказанного на рис. 5.7 - 5.12 представлено начальное распределение температуры воздуха и температурное поле массивов ММП различных мерзлотно-температурных зон в начальных условиях и динамика переформирования температурного поля во времени, глубины оттаивания и осадки оттаивающих супесчано-суглинистьгх отложений при тренде потепления 0.06С/год.
Выводы. Результаты математического моделирования возможного развития процесса термокарста показывают, что в будущем в результате повышения температуры воздуха высока вероятность его возникновения и развития на обширных площадях распрстранения многолетнемёрзлых пород, содержащих лёд- как в виде мономинеральных залежей, так и текстурообразующий. В случае оттаивания льдистых супесчано-суглинистых отложений на протяжении следующего столетия можно ожидать перестройки (а иногодаи весьма значительной) рельефа оттаивающих отложений. Кратко проанализировав результаты моделирования вытаивания жильных льдов можно заметить следующее: 1) продвижение фронта оттаивания вглубь, особенно в маловлажных грунтах идёт быстрее, чем непосредственно во льду, вследствие чего ледяная жила оттаиваниет на меньшую величину, чем вмещающий её грунт, и она начинает оттаивать кс только сверху, но и с боков; 2) в некоторых областях современной криолитозоны жильные льды могут либо полностью оттаять, либо находиться в состоянии оттаивания; 3) при образовании бессточного термокарстового понижения, отдельные холодные годы вряд ли повлияют на процесс оттаивания, а при образовании понижения, не заполняемого водой, термокарст может прекратить своё развитие в случае кратковременного понижения температуры воздуха. Для исследуемых территорий криолитозоны, в зависимости от современной температуры ММП (to) можно выделить следующие мерзлотно-температурные области, сложенные высокольдистыми супесчано-суглинистыми грунтами по их степени устойчивости к возникновению термокарста при возможном повышении температуры воздуха:
- стабильная (t0 = -7.0 - -9.0 С);
- достаточно стабильная (to = -5.0 -9.0 С);
- относительно стабильная (to = -3.0 -5.0 С);
- нестабильная (to =-1.0 --3.0 С);
- критически нестабильная (to = 0 - -1.0 С).
