Исследование геокриологических изменений

УДК 551.345:528.88
Исследование геокриологических изменений термокарста в зоне
многолетней мерзлоты Западной Сибири
Виктория Днепровская, Юрий Полищук
На основе обработки данных дистанционного зондирования Земли
проведен анализ изменений криогенного состояния многолетнемерзлых
грунтов на севере Западной Сибири. В качестве геокриологических
индикаторов изменения состояния поверхности использованы
термокарстовые озера. Анализ данных 16 метеостанций в период 1973-2006
гг. показал увеличение среднегодовой температуры воздуха в зоне вечной
мерзлоты на территории Западной Сибири приблизительно на 1 ºС. Массив
разновременных космических снимков территории тестового участка за
период 1984-2001 гг. позволил исследовать динамику изменений состояния
многолетнемерзлых пород в последние десятилетия. Установлено, что
площади озёр на исследуемом тестовом участке существенно изменяются,
что может служить как показателем усиления криогенных процессов в
условиях глобального потепления, так и рассматриваться в качестве
одной из основных причин роста аварийности на трубопроводах на севере
Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции.
Большинство газовых месторождений и значительная часть месторождений
нефти в Западной Сибири располагается в зоне вечной мерзлоты [1]. Ожидается,
что потепление климата, ставшее одной из наиболее значимых глобальных проблем
современности, наиболее ощутимо в ближайшие годы будет проявляться в высоких
широтах, вызывая снижение прочности многолетнемёрзлых пород (ММП) под
воздействием потепления. Это будет приводить и уже приводит к росту аварийности
на трубопроводах и других сооружениях нефтегазового комплекса [2-4]. Поэтому
изучение изменений криогенного состояния многолетней мерзлоты в связи с
глобальным потеплением климата, несомненно, является актуальной проблемой,
решение которой ввиду труднодоступности территории Западной Сибири из-за
высокой степени ее заболоченности невозможно без применения данных
дистанционного зондирования поверхности Земли [5].
Благодаря прогрессу в развитии информационно-космических технологий в
последние годы существенно возросло пространственное разрешение космосъёмки
земной поверхности, что обеспечило возможность практического изучения
изменений криогенного состояния труднодоступных северных территорий с
помощью космических снимков высокого разрешения. Целью настоящей работы
явилось изучение динамики современного криогенного состояния болотных
ландшафтов Западной Сибири в зоне распространения многолетней мерзлоты по
космическим снимкам.
Описание объектов исследования
Зоны сплошной и прерывистой мерзлоты располагаются на территории ЯмалоНенецкого автономного округа, а криолитозона островного типа – в центральной
части Западной Сибири, в основном в пределах Ханты-Мансийского автономного
округа и северной части Томской области. Об этом свидетельствует карта-схема
(рис. 1) геокриологического зонирования территории Западной Сибири [6-9].
Точками на карте обозначено расположение метеостанций, данные которых
использованы для проведения исследования климатических изменений на
территории Западной Сибири [10].
Рисунок 1 Расположение зон вечной мерзлоты и сети метеостанций на
территории Западной Сибири
Анализ литературных источников по использованию данных дистанционного
зондирования в геокриологических исследованиях показал [11-13], что
термокарстовые озёра и хасыреи (котловины спущенных озёр), хорошо
дешифрируемые на космических изображениях, являются наиболее пригодными
геоморфологическими индикаторами геокриогенных изменений поверхности в
условиях вечной мерзлоты. Термокарстовые озера, образующиеся в результате
вытаивания подземных льдов различного генезиса, как правило, имеют характерную
округлую, овально-удлиненную или лопастную форму. Хасыреи представляют собой
заторфованные котловины спущенных термокарстовых озер с сочетанием травяносфагново-кустарничковых болот, мелких озерков и формирующихся бугров пучения.
Для изучения изменений состояния многолетнемерзлых пород с
использованием космических снимков был выбран тестовый участок (ТУ),
расположенный в центральной части Ямало-Ненецкого автономного округа в
междуречье верхних течений рек Правая Хетта и Евояха, притоков Надыма и Пура
соответственно. Тестовый участок, границы которого показаны на рис. 1, находится
в зоне прерывистого распространения ММП.
На рис. 2 для иллюстрации приведен фрагмент космического снимка Landsat-7,
на котором показаны озера и хасыреи.
Рисунок 2 Фрагмент космического снимка Landsat-7 (07.08.1999г.) территории
ТУ. Обозначения: 1 – термокарстовые озера; 2 – хасыреи
Результаты исследований и их анализ
Анализ изменений климатического состояния территории Западной Сибири
проводился с использованием временного ряда среднегодовых значений
температуры воздуха за период последних трёх десятилетий. На рис. 3 показан
временной ход среднегодовых значений температуры воздуха. Пунктирными
линиями показаны средние значения температуры для двух временных интервалов:
1973-1979 гг. и 1980-2006 гг., а штрихпунктирными линиями - доверительные
интервалы для средних значений, рассчитанные для вероятности 90 %. Из графика
видно, что среднегодовая температура воздуха во втором периоде по сравнению с
периодом 1973-1979 г.г. увеличилась приблизительно на 1 ºС, что может служить
подтверждением проявления потепления климата на исследуемой территории и
основанием для проведения исследований изменения состояния
многолетнемёрзлых грунтов на территории вечной мерзлоты Западной Сибири в
связи с потеплением.
Рисунок 3 Временной ход среднегодовой температуры воздуха в зоне
прерывистой и сплошной мерзлоты
Для проведения дистанционных исследований на указанной территории были
использованы пять разновременных космических снимков, полученных со
следующих космических аппаратов:
1.
Landsat – 5 (27.07.1984),
2.
Landsat – 4 (01.08.1988),
3.
Landsat – 5 (20.09.1989),
4.
Landsat – 7 (07.08.1999),
5.
Landsat – 7 (03.08.2001).
Проведённый анализ космических снимков предполагал исследование
изменений состояния термокарстовых озёр. Для изучения динамики изменения
состояния термокарстовых озер с помощью программных средств ERDAS Imagine
измерялись площади водных поверхностей озер на разновременных космических
снимках. В результате в пределах ТУ было исследовано 91 озеро, большинство из
которых изменили (увеличили или сократили) свою площадь за исследуемый
период. Результаты измерений площадей некоторых озёр по снимкам 1984 – 2001 гг.
приведены в табл. 1, где красным цветом выделены озёра, сократившие свою
площадь, синим цветом – увеличившие площадь, и зелёным – озера, площади
которых практически не изменились. На рис. 4, представляющем фрагмент
космического снимка территории ТУ, номерами отмечены исследованные хасыреи и
термокарстовые озера, штриховкой на рис. 4 показаны изображения озёр со снимка
1984 г. Нумерация озёр на рис. 4 соответствует их нумерации в табл. 1.
Рисунок 4 Фрагмент космического снимка Landsat-4 (01.08.1988 г.) с
наложенными изображениями озер со снимка 1984 г.
Таблица 1. Площади озёр на основе космических снимков, га
№
1984 1988 1989 1999 2001
озера
1
13
30
50
52
63
64
69
84
4
5
9
12
15
16
18
21
26
27
246.8 33.9 34.6 12.3 11.6
135.0 143.9 159.9 91.0 98.3
13.5 14.0 14.0
6.7
5.5
150.5 148.2 142.2 33.5 26.2
43.5 45.6 49.0
3.9
4.4
9.0
2.4 11.8
1.8
1.4
2.9
3.7
4.3
0.0
0.0
81.5 76.6 79.0 40.8 31.4
25.1 27.3 29.3 14.4
7.8
58.6 66.1 74.3 67.6 74.4
11.6 15.2 16.9 15.1 15.9
37.0 43.1 48.4 46.9 46.1
7.7 11.2 18.2 14.1 17.8
2.6
8.4 11.8 10.7 18.4
0.3
1.0
2.4 13.9
3.7
0.0
3.2
0.0 23.5
3.3
10.3 14.8 16.2 23.7 28.3
116.0 115.8 129.4 120.9 126.8
33.8 37.6 41.6 39.3 40.8
№
1984 1988 1989 1999 2001
озера
33
38
44
49
51
58
61
62
72
80
81
91
3
24
28
31
53
66
90
46.7 47.0 53.1 50.9 53.8
110.5 110.1 115.9 113.7 115.3
100.5 104.4 109.5 108.3 111.6
30.0 30.8 42.3 34.4 35.9
50.9 52.6 55.9 53.2 55.4
0.0
0.3
2.8
1.3 15.1
1.6
16.4 11.3 32.0
59.6 63.8 83.6 68.9 77.1
3.9
6.6
7.2 14.4
5.6
0.0
0.0
0.6
6.6
6.2
0.3
6.4 25.6
9.9 25.8
15.2 13.1 19.8 19.7 20.0
57.7 60.1 66.9 57.0 64.8
9.3
8.9
9.9
9.8 10.0
27.1 27.8 31.4 28.0 28.1
13.8 15.1 20.7 14.7 17.8
64.7 52.7 78.7 60.7 65.8
10.0
8.4 10.4
9.7 10.2
21.9 23.7 25.9 24.0 25.0
Как видно из табл. 1, на исследуемом ТУ наряду с озерами, сократившими свои
площади, выявились озера, площадь которых увеличилась, а несколько озёр
исчезли полностью и превратились в хасыреи (спущенные озера). Для иллюстрации
на рис. 5 показаны фрагменты разновременных космических снимков,
показывающие последовательные стадии формирования хасырея на месте
исчезнувшего термокарстового озера 52.
Рисунок 5 Фрагменты космических изображений последовательных стадий
изменения площадей озер 51 и 52. Обозначения: а - Landsat-5 (1984 г.), б - Landsat-4
(1988 г.), в - Landsat-5 (1989 г.), г - Landsat-7 (1999 г.), д - Landsat-7 (2001 г.)
Последовательные дистанционные измерения площади водной поверхности
озера 52 в разные годы показали (рис. 5 и табл. 1), что к 2001 году площадь водной
поверхности озера 52 (рис. 5-г) уменьшилась на 90% от исходной величины
площади этого озера, измеренной в 1984 г. (рис. 5-а). В то же время площадь
соседнего озера 51 лишь незначительно увеличилась. Для наглядности этих
изменений на рис. 6 приведён график изменения площади (S) озера 52 в
зависимости от времени (T), на котором точки обозначают результаты измерения
площади озера по космическим снимкам (табл. 1). Как видно из рисунка,
зависимость изменения площади озера от времени аппроксимируется (с точностью
0,8825) уравнением прямой линии, что характеризует линейный тренд в изменении
площади термокарстового озера в исследуемый период.
Рисунок 6 Динамика изменения площади озера 52
На рис. 7 приведен график изменения площади озера 51 в зависимости от
времени, площадь которого, в отличие от озера 52, увеличивается приблизительно
по линейному закону.
Рисунок 7 Динамика изменения площади озера 51
По данным табл. 1 за период с 1984 г. по 2001 г. суммарная площадь водной
поверхности всех выделенных на исследуемом ТУ озёр сократилась на 273,2 га, что
составляет 9 % от суммарной площади этих озёр по космоснимку 1984 г. Для
наглядности этих изменений во времени на рис. 8 представлен график динамики
средней площади совокупности всех исследованных озер на ТУ. Точки на графике
отображают средние (за каждый исследуемый год в отдельности) значения
площадей озер, рассчитанные на основе данных табл. 1. Отрезки прямых линий
показывают доверительные интервалы, определенные для вероятности 90 %. Как
следует из приведенного на рис. 8 графика, площади термокарстовых озер на
выбранном тестовом участке в последние два десятилетия в среднем уменьшаются
во времени. Это отражает особенности динамики современных изменений
термокарстовых процессов в криолитозоне Западной Сибири под воздействием
глобального потепления, заключающуюся в том, что процесс сокращения площади
водной поверхности озёр в среднем преобладает над процессом её увеличения. Эту
особенность можно объяснить тем, что с усилением термокарста под влиянием
потепления климата нарушается прочность ММП и воды некоторых термокарстовых
озер частично уходят через нарушенный торфяно-почвенный слой в грунтовые
водотоки, а частично перетекают в соседние озера, незначительно увеличивая в
среднем их площадь.
Рисунок 8 Изменение средней площади совокупности исследованных озер
Следовательно, выявленная нашими исследованиями общая тенденция
сокращения в среднем площади водной поверхности термокарстовых озер может
служить проявлением усиления криогенных процессов в зоне вечной мерзлоты
Западной Сибири, что можно связывать с влиянием потепления климата.
Заключение
Ожидается, что глобальное потепление наиболее ощутимо в ближайшие годы
будет проявляться в высоких широтах. Более того, именно болотные ландшафты в
зоне распространения многолетнемерзлых пород являются наиболее
чувствительными к температурным изменениям в силу таяния вечной мерзлоты [2,
13]. При этом северные территории Западной Сибири теплеют значительно быстрее,
чем другие регионы мира [12, 14]. С использованием космических снимков на
исследуемой территории выявлены существенные геоморфологические и
ландшафтные изменения поверхности, характерные для посткриогенного состояния
территории в зоне распространения многолетней мерзлоты.
На основе применения разновременных космических снимков 1984 - 2001 гг.
исследовано изменение во времени площадей водной поверхности 91
термокарстового озера, выбранных на тестовом участке, который расположен в зоне
прерывистого распространения многолетней мерзлоты в Западной Сибири.
Установлено, что в этой зоне преобладают процессы сокращения площади
термокарстовых озёр, что может служить показателем уменьшения прочности
многолетнемёрзлых грунтов на территории криолитозоны под воздействием
глобального потепления. Уменьшение прочности многолетнемерзлых грунтов,
вызывая значительное увеличение числа аварий на трубопроводах и других
объектах инфраструктуры нефтегазового комплекса Западной Сибири [2, 4], уже в
ближайшие годы приведет к росту геоэкологических рисков и к значительным
экономическим ущербам.
Литература
1. Полищук Ю.М., Ященко И.Г. Сравнительный анализ химического состава
нефтей России на территории вечной мерзлоты и вне ее // Криосфера Земли, 2007.
–Т. 11. - № 1. – С. 45-51.
2. Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов / Под. ред. Е.С.
Мельникова и С.Е. Гречищева. – М.: ГЕОС, 2002. – 402 с.
3. Анисимов О., Лавров С. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты:
оценка рисков для производственных объектов ТЭК РФ // Технологии ТЭК, 2004. - №
3. – С. 78 – 83.
4. Samsonov R., Lesnykh V., Polishchuk Yu. and Bryksina N. The climate change
impact on thermokarst in West-Siberian territory and geological risks in gas industry / Proc.
of 14th annual conference of TIEMS (June 5-8, 2007, Split, Croatia). – Split: TIEMS, 2007.
pp. 212 – 216.
5. Полищук Ю.М., Токарева О.С. Вопросы мониторинга изменений состояния
многолетнемерзлых пород в условиях глобального потепления с использованием
космических снимков // Вестник ЮГУ, 2006. - № 3. - С. 87 – 90.
6. Геокриология СССР. Европейская территория СССР / Под. ред. Э.Д.
Ершова. – М.: Недра, 1988. – 358 с.
7. Атлас СССР / Отв. редактор Т.П. Сидоренкова. – М.: Главное управление
геодезии и картографии при Совете Министров СССР, 1984. – 260 с.
8. Duchkov A.D. Characteristics of Permafrost in Siberia // Advances in the
Geological Storage of Carbon Dioxide. - NATO Science Series IV, 2006. - Vol. 65. – pp. 81
– 92.
9. Melnikov V.P., Drozdov D.S. Distribution of Permafrost in Russia // Advances in
the Geological Storage of Carbon Dioxide. - NATO Science Series IV. – 2006. - Vol. 65. –
p. 69 – 80.
10. Днепровская В.П., Полищук Ю.М. Исследование взаимосвязи
климатического состояния и пространственной структуры растительного покрова в
Западной Сибири // Вестник ЮГУ. - 2007. - № 6. - С. 31 - 38.
11. Мельников Е.С., Вейсман Л.И., Крицук Л.Н. Ландшафтные индикаторы
инженерно-геокриологических условий севера Западной Сибири и их
дешифровочные признаки. – М.: Недра, 1974. – 132 с.
12. Smith L.C., Sheng Y., MacDonald G.M., Hinzman L.D. Disappearing Arctic Lakes
// Science, 2005. – V. 308. – No 3. - pp. 14.
13. Кирпотин С.Н., Полищук Ю.М., Брыксина Н.А., Днепровская В.П. Динамика
площадей термокарстовых озер как индикатор климатических изменений (по данным
наземного и космического мониторинга) // Матер 2-го Межд. Полевого симпозиума
«Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее» (ХантыМансийск, 24 авг. – 2 сент.2007 г), Ред. С.Э. Вомперский. – Томск: Изд-во НТЛ, 2007.
–С. 29-32.
14. Павлов А.В., Ананьева Г.В. Оценка современных изменений температур
воздуха на территории криолитозоны России // Криосфера Земли, 2004. – т. 8. - № 2.
– С. 3 – 9.
Сведения об авторах:
Виктория Днепровская – научный сотрудник лаборатории научноисследовательского информационного центра Института химии нефти СО РАН.
Область профессиональных интересов – дистанционное зондирование Земли,
обработка материалов космических съемок, пространственный анализ
геоданных с применением геоинформационных систем и технологий для
исследования геокриологических, природно-климатических и экологических
изменений территории Западной Сибири.
Юрий Полищук – д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией научноисследовательского информационного центра Института химии нефти СО РАН;
заведующий кафедрой экологии Югорского государственного университета.
Область профессиональных интересов – междисциплинарные исследования,
дистанционные методы, пространственный анализ геоданных с
использованием геоинформационных систем, геостатистический анализ
данных.