4.3. Глубина сезонного протаивания.
advertisement
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Направление Профиль ГЕОЛОГИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ И ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ ГЕОКРИОЛОГИЯ Кафедра Бакалаврская работа. «Сезонное протаивание мерзлых пород Большеземельской тундры (на примере острова Кашин и мыса Болванского).» Сауткина Мария Евгеньевна, группа 408. Зав.кафедрой д.г.-м.н. Брушков Анатолий Викторович. Руководитель д.г.-м.н. Брушков Анатолий Викторович. Рецензент д.г.-м.н. Хилимонюк Ванда Здиславовна. Москва, 2014 г. Содержание. Введение…………………………………………………………………………………… 1. 2. 3. 4. Физико-географический очерк…………………………………………………… 1.1. Орогидрография…………………………………………………………… 1.2. Климатические условия…………………………………………………… 1.3. Растительный покров и почвы……………………………………………. Геологические условия…………………………………………………………… 2.1. Стратиграфия……………………………………………………………… 2.2. Тектоническое строение………………………………………………….. Геокриологические условия……………………………………………………… 3.1. Строение многолетнемёрзлых толщ…………………………………….. 3.2. Температурный режим ММП……………………………………………. 3.3. Криогенные процессы……………………………………………………. Сезонное протаивание мёрзлых пород………………………………………….. 4.1. Состав и строение сезонноталого слоя (СТС)………………………….. 4.2. Закономерности формирования температурного режима. ……………. 4.3. Глубина сезонного протаивания. ………………………………………... Заключение……………………………………………………………………………….. Список литературы………………………………………………………………………. Введение. Тема данной бакалаврской работы «Сезонное протаивание мёрзлых пород в Большеземельской тундре (на примере острова Кашин и мыса Болванский)». Практика проходила в Институте криосферы Земли Сибирского отделения РАН (ИКЗ СО РАН) в период с 1 августа по 30 сентября 2013 года. За период практики удалось познакомиться с фондовыми отчетами, опубликованной литературой и картографическим материалом по району Большеземельской тундры. В период с 12 по 31 августа я была командирована в г.Нарьян-Мар, где принимала участие в научно-исследовательских работах в составе полевого отряда ИКЗ СО РАН. В период полевых работ осуществлялся геокриологический мониторинг на двух стационарах в дельте р. Печора (остров Кашин и мыс Болванский). Расположение районов полевых работ ИКЗ СО РАН показано на рис. 1. Рис. 1. Обзорная карта района работ отряда ИКЗ СО РАН. «Мыс Болванский» – один из геокриологических стационаров, оборудованных в 80-х годах на Европейском Севере для наблюдения за динамикой развития криогенных процессов. Он расположен в устье р. Печора в непосредственной близости от гидрометеостанции. Стационарные наблюдения здесь проводились специалистами московского института ВСЕГИНГЕО (с состав полевого отряда входили и сотрудники, работающие в настоящее время в ИКЗ СО РАН) и Тиманской ГРЭ (относящейся к «Архангельсгеология») с 1983 по 1993 гг. в рамках обширной научно-исследовательской программы по изучению инженерно-геокриологических условий Большеземельской тундры. После шестилетнего перерыва (в 1999 г.) сотрудники ИКЗ СО РАН возобновили здесь ежегодные наблюдения за температурным режимом ММП, глубиной сезонного протаивания и криогенными процессами, которые продолжаются по настоящий день. Геокриологический стационар «Остров Кашин», на котором также проводятся специальные мерзлотные исследования, оборудован в 2009 году. Стационар расположен в краевой части дельты р. Печора, в пределах Коровинской губы. Стационарные наблюдения здесь проводились, в рамках той же программы по изучению инженерногеокриологических исследований Большеземельской тундры. Организация площадок, бурение параметрических скважин и последующие режимные наблюдения на о.Кашин проводились сотрудниками ИКЗ СО РАН. Состав экспедиции: Четыре участника экспедиции, в том числе: Малкова Г.В. – внс., начальник полевого отряда; Сауткин Е.В., Малков А.Б. – временные сотрудники на время полевых работ; Сауткина М.Е. – студентка геологического ф-та МГУ, лаборант (рис. 2.). При проведении лодочных маршрутов в соответствии с договорами также привлекались 2 моториста Торгашев А.В. и Матвеев В.Н. – сотрудники заповедника «Ненецкий». Рис. 2. Печорский полевой отряд 2013 г. (слева направо – Малков А.Б., Малкова Г.В., Золотой С.А. – директор заповедника, Сауткин Е.В., Сауткина М.Е.) Задачи экспедиции. В 2013 г осуществлялся геокриологический мониторинг на специальных площадках в дельте Печоры, расположенных на территории Ненецкого Заповедника (остров Кашин и мыс Болванский), в том числе: - обследование 2 площадок CALM (измерение глубины протаивания, изучение термовлажностного режима пород СТС); - сбор и обработка температурных данных из скважин и на температурных площадках (температура воздуха и поверхности грунтов); - рекогносцировочное обследование островов и побережий в дельте Печоры с целью обнаружения участков развития ММП; - обустройство новой площадки мониторинга на острове в районе разведочной скважины «Кумжа», нивелировка поверхности, описание и опробование разреза поверхностных отложений, установка термоизмерительной аппаратуры для определения температуры воздуха, поверхности и пород СТС. После экспедиционных работ, до окончания производственной практики, я принимала активное участие в обработке полевых материалов – результатов нивелировки режимных площадок, термометрических наблюдений, измерений глубины СТС. Кроме того, были построены колонки пробуренных на о. Кашин наблюдательных скважин, выполнены анализы образцов грунта для определения физико-механических свойств. Глава 1. Физико-географический очерк. 1.1. Орогидрография. Геокриологические стационары «Остров Кашин» и «Мыс Болванский» организованы на территории Большеземельской тундры, расположенной на северовостоке европейской части России, и в административном отношении находится в пределах Ненецкого автономного округа Архангельской области. С севера территорию омывает Печорская губа, относящаяся к бассейну Баренцева моря. Стационар «Болванский» расположен на южном берегу Печорской губы в подзоне южной тундры, в пределах эродированной III морской равнины с абсолютными отметками от 25 до 30 м. Поверхность равнины имеет полого-холмистый рельеф и расчленена озерными котловинами, логами и ложбинами стока. (рис. 3 ). Рис. 3. Общий вид территории стационара «Мыс Болванский» (на переднем плане здания бывшей метеостанции, стрелкой показан холм с расположенной на нем площадкой CALM для изучения динамики протаивания ММП). Фото Малковой Г.В. Ключевая площадка острова Кашин расположена в пределах I морской террасы с абсолютными отметками до 10 м. Поверхность террасы имеет полого-волнистый рельеф, и также расчленена озерными котловинами и ложбинами стока (рис. 4.). Гидросеть района целиком принадлежит бассейну Баренцева моря и представлена в основном главной водной артерией – р.Печора, а также ее притоками и серией более мелких рек и проток, впадающих в Печорскую и Коровинскую губу. Для долины р. Печора характерны коленообразные изгибы и озеровидные расширения, обусловленные структурно-тектоническими факторами. Рис. 4. Обзорная карта острова Кашин [Материалы ИКЗ]. Основными источниками питания рек служат талые воды и атмосферные осадки, в связи с чем большая часть стока рек приходится на весеннее половодье [Вечная мерзлота и освоение НГР, 2002]. Озера в пределах исследуемой территории на поверхности террас и равнин имеют преимущественно термокарстовое происхождение, а в пределах обширной поймы р.Печора развиты многочисленные старицы. Источниками питания озер служат также талые воды и атмосферные осадки. 1.2. Климатические условия. По климатической классификации Б.П.Алисова район исследований относится к арктической зоне и находится в области атлантического влияния [Алисов, 1969] . Расположение геокриологических стационаров острова Кашин и мыса Болванский показано на рис. 5. Рис. 5. Расположение метеостанций и среднегодовые температуры воздуха. Климатические условия региона формируется под круглогодичным воздействием Арктического климатического фронта, располагающегося, как правило, субпараллельно береговой линии в Северном Ледовитом океане, в 300-500 км от побережья [Вечная мерзлота НГП, 2002]. Среднемесячная температура воздуха становится ниже 0 0С одновременно с появлением устойчивого снежного покрова, достигает минимума в январе-феврале и повторно переходит через 0 0С при разрушении устойчивого снежного покрова (таблица 1). Участок, год Месяцы V VI VII VIII АВ Год I II III IV IX X XI XII -17,70 -22,47 -6,60 -0,82 4,70 11,98 12,33 9,03 8,07 1,25 -5,44 -6,06 34,8 -0,98 КашинCALM, 2011 -13,42 -14,32 -13,46 -3,08 3,40 12,00 13,36 9,77 8,53 2,16 -7,50 -15,98 29,34 -1,54 КашинCALM, 2012 -18,69 -10,11 -21,16 -3,16 0,83 10,09 18,09 15,46 КашинCALM, 2013 Таблица 1. Среднемесячные и среднегодовые температуры воздуха (0С), годовая амплитуда колебаний температур воздуха (Ав) геокриологического стационара КашинCALM за 2011, 2012, 2013 годы [Материалы ИКЗ СО РАН]. Из таблицы 1. видно, что наиболее холодный месяц в 2013 году март. Минимум температуры воздуха достигает -32 0С для площадки Кашин-CALM. Отрицательные температуры воздуха на острове Кашин отмечаются 6 месяцев; зима здесь начинается во второй половине октября и заканчивается в конце мая. Приводится график изменения среднегодовой, среднелетней и среднезимней температуры воздуха по данным метеостанции Болванский. Линия тренда среднегодовой температуры воздуха показывает, что за период с 1983 по 2013 гг температура повысилась от -5 до -2,5оС (рис. 6). Рис 6. Температура воздуха. Болваский. По данным Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, годовое количество осадков в данном регионе увеличилось с 400 мм в 60-е гг. XX в. До 500 мм в начале XXI в. График изменения максимальной мощности снежного покрова по данным ближайшей к острову Кашин и мысу Болванский метеостанции Нарьян-Мар показан на рис. 1.2.2. Средняя многолетняя толщина снежного покрова равна 61 см. Наиболее снежными были зимы 2003/2004, 2007/2008, 2008/2009 гг., когда мощность снега превышала 80 см. Рис. 7. Максимальная мощность снега (по данным м/с Нарьян-Мар), линия тренда и уравнение регрессии. По данным снегомерной съемки, проводимой с 1983-1993 гг. на мысе Болванский, в результате ветрового переноса мощность снега может варьировать от 20 см на вершинах холмов до 1,0 – 1,2 м в логах и у подножия склонов озёрных котловин. Плотность снега изменяется в течении зимнего периода от 0,19 г/см3 до 0,39 г/см3 и составляет в различные годы от 0, 25 – 0,28 г/см3. Такие характеристики снежного покрова определяют достаточно высокий теплоизолирующий эффект и существенное влияние снега на формирование температурного поля мёрзлых толщ [Мониторинг tср.в., Малкова, 2010] Самый теплый месяц – июль. Максимальные значения температуры воздуха, в летнее время, достигает 27 0С. 1.2. Растительный покров и почвы. Район исследований расположен в южнотундровой природно-климатической зоне. Растительность на водоразделах и полигональных блоках, представлена осоковокустарничковыми и мохово-лишайниковыми ассоциациями: карликовой березой, багульником, мхами, лишайниками; в межблочных понижениях и полосах стока произрастают преимущественно ивняки, реже карликовая береза, на почве – сфагнум, мхи [Геокриология СССР, 1988]. Кустарники распространены на склонах склонов, в перегибах рельефа и ложбинах, в тыловых частях озерных котловин. Высота кустарникового яруса (карликовая береза - ерник, ивняк, редко ольха) составляет от 0,5 до 1,5 м. В пределах тундровых участков наблюдается лишайниковый покров с участием травянокустарничковой растительности (с преобладанием, голубики, морошки, брусники и др.), которая местами имеет высоту до 15-20 см. На участках торфяников и болот развит относительно мощный (до 0,2 м) покров сфагновых и зелёных мхов. В целом, флора Большеземельской тундры насчитывает около 600 видов цветковых растений, несколько сотен видов мхов и лишайников, разнообразные ягоды, грибы. Растительный покров двух стационаров очень близок по видовому составу. На стационаре Болванский в пределах плоских водоразделов и холмов доминируют осоковобагульниково-ивово-ерниковые мохово-лишайниковые пятнистые и бугорковатые тундры со слабо выраженным полигональным микрорельефом. Преобладающие размеры полигонов варьируют от 8 до 10 м. К канавкам по трещинам приурочены ивы и мхи. Пятна-медальоны имеют вытянутую форму длиной 1-3м, местами с высыпкой каменного материала, и занимают от 20 до 60% поверхности. К нижним частям склонов холмов приурочены травяно-моховые ивняки с участием ерника. По заболоченным днищам озерных котловин развиты осоково-гипновые болота с участием хвоща и сабельника. Древесная растительность здесь отсутствует (рис. 8.). [Криогенные процессы НАО, 2002]. По заболоченным днищам озерных котловин развиты осоково-гипновые болота с участием хвоща и сабельника. В перегибах склонов увалов и в седловинах холмов мыса Болванский, а также в слабовогнутых понижениях острова Кашин развиты плоские и полигональные торфяники с кустарничковыми моховолишайниковыми полигонами и осоково-моховыми трещинами-канавками. Размеры полигонов колеблются от 8-10 до 20-25 м в поперечнике, межполигональные понижения имеют ширину до 0,3-0,8 м и глубину до 0,2-0,5 м. Общий вид площадки CALM показан на рис. 9. Площадка характеризуется относительно ровным микрорельефом и значительно меньшим развитием пятенмедальонов. В ландшафтном отношении здесь преобладают кустарничкого- травянолишайниковая тундра и кустарничково-лишайниково-сфагновый торфяник (рис 9.). Встречаются полигональные трещины, или отдельные понижения, занятые кустарничково-сфагновым болотом. Почвы в пределах стационаров преимущественно тундровые глеевые и болотнотундровые торфянисто- и торфяно-глеевые в комплексе с сухоторфяными и сухоторфяноперегнойными почвами бугорков и болотно-верховыми под болотами. [Криогенные процессы НАО]. Рис. 8. Ландшафтное строение мыса Болванский. Фото Каневского М.З. (а – полгий холм, занятый пятнисто-медальонной мохово-лишайниковой кустарничковой тундрой; б – плоский полигональный торфяник с кустарничковыми мохово-лишайниковыми полигонами и осоково-моховыми трещинами-канавками; в – хасырей на месте спущенного озера, занятый травяно-моховым болотом; г – комплексное верховое осоково-мохово-лишайниковое болото; стрелкой показано место обнаружения крупной ледяной жилы.) [Криогенные процессы НАО, 2002]. Рис. 9. Кустарничково-лишайниковый растительный покров геокриологического стационара Кашин – в районе площадки CALM. Глава 2. Геологические условия. 2.1. Стратиграфия. Большеземельская тундра представляет собой северо-восточную часть Печорской низменности, располагающейся между Тиманом и Уралом. Это труднодоступная и в геологическом отношении наименее изученная область. В ее пределах палеозойский складчатый фундамент па дневную поверхность выступает лишь на небольших участках (гряда Чернышева, Каратаихская гряда и др.), где сейчас, по данным А. А. Чернова (19276) и Г. А. Чернова (1945), известны палеонтологически охарактеризованные отложения девона. На всей остальной обширной территории Большеземельской тундры с поверхности залегают четвертичные отложения [Геология СССР]. Современные отложения представлены тремя комплексами – аллювиальным, озёрным, морским. Аллювиальный комплекс поймы и I надпойменной террасы (a QIII-IV) представлен преимущественно песчаными отложениями с включением гравийногалечного материала или слоистой толщей песчано-глинистых пород. Озёрные (лиманные) отложения ( l QIII-IV) развиты по побережью Печорского моря в устьевых частях рек. Состав отложений зависит от состава размываемых пород и представлен разными типами разрезов – глинистым, песчаным, песчано-глинистым, слоистым, нередко с поверхности перекрытым маломощным торфом. Комплекс морских отложений включает осадки, слагающие низкие морские террасы, в том числе в приустьевых частях рек, и лайду вдоль современной береговой линии. Это преимущественно пески – разнозернистые с галечниковыми включениями, обычно засоленные, с поверхности перекрытые прерывистым маломощным чехлом торфа, мощностью меньше 0,5 м. Большие мощности торфа ( 1-5 м ) характерны для болот, развитых в озерных котловинах в понижениях ледниково-морской равнины [Вечная мерзлота, 2002]. 2.2. Тектоническое строение. Большеземельская тундра в структурном отношении приурочена к северовосточной части Восточно-Европейской платформы – Печорской синеклизе. Печорская синеклиза в геотектоническом отношении представляет собой эпибайкальскую платформу, структурный план которой формировался согласно основным структурным элементам фундамента [Вечная мерзлота и освоение НГР, 2002]. Погребенный кристаллический фундамент Печорской синеклизы, сложенный метаморфизованными породами верхнего протерозоя, нарушен многочисленными разломами, сильно дислоцирован и отличается значительной расчлененностью рельефа при общем погружении фундамента в зоне Предуральского краевого прогиба до 12 км и постепенном его повышении до 1 км в направлении Тиманского кряжа. В структуре фундамента выделяются системы авлакогенов и выступов общего северо-западного направления, нередко связанных с глубинными разломами. Соответственно этапам тектонического развития территории, в общем характеризующимся снижением тектонической активности, в строении платформенного чехла выделяются 2 структурных яруса. Нижний ярус отличается развитием наиболее значительных по величине трансгрессий, оставивших полный разрез отложений всего седиментационного цикла, представленных терригенными, лагунно-морскими, терригенно-карбонатными, рифогенными, галогенными и пестроцветными терригенными и угленосными формациями. Породы слабо дислоцированы в результате тектонических процессов, связанных с глыбовыми движениями фундамента в нижнем и среднем палеозое, приведших к формированию Печорской синеклизы и Печоро-Колвинского авлакогена. На заключительной стадии седиментационного цикла начинается сокращение площади морского бассейна связанное с общим поднятием платформы, знаменующее переход к длительному этапу континентального развития Печорской синеклизы с палеогена до конца плиоцена. В общем, породы платформенного чехла, в той или иной степени метаморфизированные, относятся к группам скальных или полускальных пород, обладающих высокими прочностными характеристиками. В последний новейший этап (N2-Q) развития происходит активизация тектонической деятельности, оживление разломов, продолжаются медленные прогибания, дифференцированные по амплитудам, в результате чего обосабливаются области современных относительных поднятий и опусканий, приводящие к инверсии структурного плана, происходит выработка эрозионной сети и глубокое расчленение рельефа. Все это существенно отразилось на формировании новейших четвертичных отложений (рис. 10). Суммарные мощности чехла новейших отложений изменяются от 20 и менее метров в краевых частях синеклизы до 200 и более метров пределах Большеземельской тундры. Рис. 10. Схема неотектонического районирования и мощностей четвертичных отложений. 1-5 – границы: 1 – субпланетарных геоструктур (регионов I-го порядка), 2 – геоблоков (регионов II-го порядка), 3 – мегаблоков (областей), 4 – макроблоков (подобластей), 5 – протяженных зон глубоких региональных разломов; 6 – мощность толщи четвертичных отложений, м; 7-9 – индексы: 7 – регионов, 8 – областей, 9 – подобластей. BI – Канино-Тиманский кряж: IB - Северотиманский мегаблок. BII – Печерская синеклиза: IIа – Предтиманское поднятие, IIв – Большеземельский мегаблок, IIг – Малоземельский мегаблок. BIII – Предсевероуральская структурная зона: IIIа – Предуральский прогиб, IIIб – гряда Чернышова, IIIв – Предуральско-Пайхойское поднятие. В новейшей истории геологического развития Печорской синеклизы выделяются несколько этапов, связанных с периодическим характером морских трансгрессий и оледенений, каждому из которых соответствует определенный комплекс отложений [Вечная мерзлота, 2002]. Глава 3. Геокриологические условия. 3.1. Строение многолетнемёрзлых толщ (ММП, ММТ). Геокриологический стационар Болванский расположен в крайней западной части зоны сплошного распространения ММП в Европе. Поверхностные отложения мыса Болванского находятся преимущественно в многолетнемерзлом состоянии. Мощность ММП здесь составляет 100-200 м [Криогенные процессы НАО, 2002]. Мерзлые породы почти повсеместно залегают непосредственно под слоем сезонного протаивания. Опущенная кровля ММП, которая была выявлена в процессе проведения буровых и геофизических работ, выполненных на данном стационаре, наблюдается только в логах с густыми ивняками или у подножия склонов, где накапливается большое количество снега, кровля ММП залегает на глубинах 3-10 м. Под мелкими озерами, на пляже и мелководных участках Печорской и Болванской губы кровля ММП опущена на глубину 10-20 м [Скворцов и др., 2007, Малкова и др., 2008]. Практически под всеми непромерзающими зимой озерами встречаются несквозные талики. Под руслом р. Печора, под Болванской и под глубоководной частью Печорской губы развиты сквозные талики. Новообразование ММП идет под спущенными озерами (хасыреями). Стационар острова Кашин целиком сложен маломощными ММТ, и в силу своей приуроченности в краевой части дельты р. Печоры расположен в зоне островного распространения многолетнемёрзлых пород. Совместный анализ результатов интерпретации наземных наблюдений, с учетом полученных в предыдущие годы информации об особенностях строения ММП на этом участке, позволили сделать вывод о том, что мощность толщи многолетнемерзлых пород в пределах острова составляет не менее 30-35м. Криолитологическое строение верхней части толщи ММП существенно зависит от генезиса и возраста отложений. Поверхностные отложения представлены средне- и верхнечетвертичными морскими и прибрежно-морскими супесями и суглинками с прослоями и линзами пылеватых песков. В верхней части разреза развиты линзовиднослоистые криогенные текстуры, вниз по разрезу они переходят в решетчатые и редкослоистые. Распространенные в районе исследований отложения, характеризуются средней и низкой льдистостью. Объемная льдистость уменьшается вниз по разрезу от 0,4 до 0,2...0,1. В песках повсеместно распространены массивные криотекстуры [Вечная мерзлота и освоение НГР, 2002]. В верховьях логов, на седловинах холмов, в днищах спущенных озерных котловин с поверхности залегают современные биогенные отложения - торф мощностью от 1...2 до 5...7 м. В торфе развиты линзовидные и атакситовые криогенные текстуры, объемная льдистость - высокая. На локальных участках полигональных торфяников и болот развиты эпигенетические жилы льда различной мощности и ширины. Пример мощной жилы льда показан на рис. 11. Рис. 11. Мощная эпигенетическая жила льда в торфе (полигональный торфяник в центральной части III морской террасы м.Болванский). Стрелкой показана для масштаба полевая сумка. Фото Каневского М.З. Разрез поверхностных отложений изучался при бурении скважин и описании обнажений. Поверхностные отложения представлены среднечетвертичными ледовоморскими опесчаненными суглинками с включением обломочного материала (5-10%), с редкими пятнами ожелезнения. В верхней части разреза залегает оторфованный бурый суглинок. Мощность слоя сезонного оттаивания составляет около 1,2 м. Ниже суглинок находится в мерзлом состоянии. До глубины 2,5 м суглинистые отложения имеют тонкошлировые мелкосетчатые криогенные текстуры, до глубины 6 м характерны тонкошлировые редко- и косослоистые, ниже тонкошлировые средне- и крупносетчатые криогенные текстуры. Суммарная влажность мерзлых грунтов колеблется от 18,9% до 32,1%, пористость – от 0,43 до 0,55. Наибольшая влажность и пористость наблюдается у оторфованного суглинка в сезонно-талом слое (СТС) – соответственно, 46,5% и 0,80. Для определения литологического состава и криогенного строения ММП на геокриологическом стационаре «Кашин – CALM 100х100 м» была пробурена скважина 1К, расположенная на северо-восточном углу площадки CALM глубиной 6,7 м вскрывающая следующие горизонты (рис. 12): 0,0 – 0,8 м Торф, коричневый, разложившийся, мерзлый с глубины 0,4 м. 0,8 – 3,6 м Песок серый, мелкий. Мёрзлый с криогенной текстурой. Содержит редкие включения растительных остатков, а с глубины 2,9 м – включения дресвы. 3,6 – 6,3 м Суглинок сизый, плотный, опесчаненный мелкозернистым песком . Мёрзлый с редкошлировой криогенной текстурой. 6,3 – 6,7 м Песок серый, мелкий. Мёрзлый, слабольдистый (рассыпается). Далее бурение было остановлено из-за осыпания стенок скважины. Рис. 12. Инженерно-геокриологическая колонка скважина 1К, Кашин. В конце инженерно-геологического профиля, также для изучения литологического состава и криогенного строения осадочного чехла была пробурена скважина 2К, имеющая следующий разрез (рис. 13): 0,0 -0,1 м Торф коричневый, сильно опесчаненный. Талый, влажный. 0,1-0,9 м Песок желтый, мелкий, однородный. Талый, влажный. 0,9 – 3,7 м Торф рыжевато-коричневый, плохо разложившийся, талый, влажный. С глубины 1,1 м – мерзлый, криогенная текстура линзовидная, с отдельными гнездами льда диаметром до 2-3 мм, с отдельными обломками веток и корней. 3,7 – 3,9 м слоистая. Супесь коричневато-серая, оторфованная. Мёрзлая, криогенная текстура 3,9 – 6,9 м Песок голубовато-серый, мелкий, однородный, с редкими включениями растительных остатков. Мёрзлый, криогенная текстура массивная. 6,9 – 10,0 м Суглинок сизый, опесчаненный, с редкими включениями дресвы и гальки. Мёрзлый, криогенная текстура слоистая. Рис. 13. Инженерно-геокриологическая колонка скважина 2К, Кашин. Из каждой скважины был проведён отбор проб грунта для определения влажности и объёмного веса скелета, а также для изучения гранулометрического состава пород, пределов пластичности и химического состава водной вытяжки. Результаты гранулометрического анализа приведены в таблице 2. Таблица 2. 3.2. Температурный режим многолетнемёрзлых пород ( ММП) и сезонноталого слоя (СТС). На геокриологическом стационаре мыса Болванский продолжены геотермические наблюдения, начатые в 1984 г. Это позволило изучить особенности реакции динамики многолетней мерзлоты на изменения климата на протяжении 30 лет. Температурный режим многолетнемёрзлых пород (ММП) является основным показателем геологической среды при ведении мониторинга криолитозоны [Павлов, 2008]. Температурный режим верхних горизонтов ММП характеризуется их среднегодовой температурой и глубиной сезонного оттаивания [Методические рекомендации, 1981]. Указанные характеристики, на геокриологических стационарах Болванский и Кашин, изучаются на специальных оборудованных наблюдательных площадках и в скважинах. Термометрические измерения осуществлялись с помощью автоматизированного комплекса HOBO U12 Outdoor/ Industrial 4 ext. Channels. Комплекс HOBO U12состоит из программируемого запоминающего блока, способного опрашивать до четырех проводных датчиков (сенсоров) температуры[Температ.режим ММТ и СТС в г.Сев.Забайкалья]. Установка комплекса HOBO представлена на рис. 14. Рис. 14. Установка четырехканального автоматического измерительного комплекса HOBO в скважину 2К острова Кашин глубиной 10м (до закрытия деревянным ящиком). Наблюдения в многолетнемерзлых толщах. Температура многолетнемёрзлых толщ измерялась в существующих скважинах, имеющих стальную обсадку, закрывающихся сверху и оборудованных специальным ящиком. Основное внимание было уделено «малоглубинным» скважинам глубиной до 12 м, расположенных в ненарушенных условиях. Значительное количество таких скважин на мысе Болванский было пробурено и оборудовано для термометрических наблюдений в 1980-е гг, когда начались регулярные температурные измерения. Затем в период с 1994 по 1999 гг по ряду экономических причин наблюдения были приостановлены, и вновь возобновлены в 1999 г. С 2004 г. измерения температуры пород СТС и ММП стали проводится в автоматическом режиме круглогодично. На острове Кашин, для термометрических наблюдений, в 2012 г. было пробурено и оборудовано две скважины 6,7 и 10 м. Температурные датчики измерительного комплекса HOBO помещались в подготовленную скважину в ММП на различных глубинах от поверхности, а также в слое сезонного протаивания и на поверхности грунта под растительностью. Вся аппаратура должна быть защищена от воздействия прямых солнечных лучей, атмосферных осадков и ветра. В непосредственной близости от температурных скважин в типичных ландшафтных условиях устанавливается миниметеостанция, где также в автоматическом режиме производится измерение температуры воздуха. Обработка данных. Измерительный комплекс HOBO позволяет проводить измерения и записывать информацию в автоматическом режиме через каждые 6 часов, т.е. 4 раза в сутки. Один раз в год производится съем полученной информации непосредственно на компьютер с использованием специальной программы. Измеренные значения температур с учетом постоянных поправок для каждого датчика сводятся в файлы формата Excel, имеющих заданную структуру. Затем происходит обработка температурных данных на разных глубинах и осреднение показаний для периода – сутки, месяц или год. Также, в специальные файловые директории помещают фотографии участка наблюдений, различные карты-схемы (рельефа площадки, ландшафтного строения, мощности торфа и др.) и данные сопряженных наблюдений (данные тарировок датчиков, ландшафтные описания, мощности снежного и растительного покровов, мощности слоя сезонного оттаивания, данные о геологическом строении и т.д.). При получении ряда непрерывных наблюдений в программе Excel строятся соответствующие диаграммы, позволяющие анализировать динамику температурного режима ММП и воздуха (рис. 15). Рис. 15. Результаты температурного режима в скважине 83, стационар Болванский. 3.3. Криогенные процессы. В регионе широко развиты криогенные процессы, криогенные и посткриогенные образования, которые играют существенную роль в формировании современного облика рельефа [Геокриология СССР, 1988]. Криогенными физико-геологическими процессами называют процессы деформации земной поверхности, обусловленные промерзанием и протаиванием почв и горных пород, а также накоплением и вытаиванием в них льда. На мысе Болванском распространены различные по форме и размерам бугры пучения, образовавшиеся в результате многолетнего или сезонного промерзания горных пород, термокарстовые и термоэрозионные формы рельефа, сформировавшиеся при многолетнем протаивании льдистых отложений, полигональный микрорельеф и связанные с ним полигонально-жильные льды. Из склоновых процессов встречаются солифлюкция, осыпи, оползни. Локально развиты заболачивание и дефляция. Процессы термоэрозии развиты ограничены и приурочены в основном к речным долинам. Термоэрозионные формы представляют собой овраги различной конфигурации, обычно с крутыми склонами. Термоэрозионный овраг, образованный при вытаивании повторно-жильных льдов показан на рис. 16. Рис. 16. Термоэрозионный овраг, образованный при вытаивании повторножильных льдов. Фото Сауткиной М.Е. Термокарстовые процессы широко распространены на территории Большеземельской тундры. Термокарстовые процессы развиты как на торфяниках, так и на минеральных грунтах и связан с вытаиванием как сингенетических, так и эпигенетических сегрегационных льдов, а также растущих и погребенных повторножильных и пластовых льдов. Термокарст по повторно-жильным льдам показан на рис. 17. Рис. 17. Термокарст по ПЖЛ. Фото Малковой Г.В. На острове Кашин, в результате термокарстового процесса образуются озера, блюдца и другие отрицательные формы рельефа. Небольшие термокарстовые образования - блюдца, можно наблюдать на рис. 18. Рис. 18. Термокарстовые образования близ геокриологического стационара Кашин. Фото Сауткиной М.Е. В районе исследований широко распространен полигональный микрорельеф. На морских террасах, а также в оторфованных депрессиях рельефа морозобойное растрескивание и формирование эпигенетических ледяных жил происходит как в торфяниках, так и в минеральных грунтах (рис. 19). Рис. 19. Эпигенетическая жила льда в торфе на поверхности III морской террасы мыса Болванский. Фото Каневского М.З. Развитие криогенных процессов осложняет условия строительства на осваиваемых территориях. В свою очередь, изменение инженерно-геокриологических условий в процессе освоения территории часто влечет за собой активизацию природных криогенных процессов. Недоучет их негативного влияния приводит к широкому развитию деформаций различных сооружений и нежелательным изменениям природной среды [Методические рекомендации…, 1979]. Глава 4. Сезонное оттаивание протаивание мёрзлых пород. Сезонное протаивание пород – сложный теплофизический процесс, сопровождаемый фазовыми переходами, миграцией и фильтрацией влаги в талой и мерзлой зонах слоя, усадкой грунтов. Сезонное протаивание, по В.А. Кудрявцеву, это оттаивание сверху многолетнемёрзлых пород имеющих среднегодовую температуру ниже 0 С. Сезонноталый слой (СТС) подстилается мерзлыми породами (ММП), а его мощность определяется теплооборотами в слое, идущими при положительных температурах пород. Сходное определение процесса сезонного протаивания даны: в Геокриологическом словаре (под редакцией В.В. Баулина и В.Э. Мурзаевой), в книгах «Основы геокриологии. Часть 4» (под редакцией Л.С. Гарагули, Э.Д. Ершова), Э.Д. Ершов «Общая геокриология». В более ранних работах по мерзлотоведению слой сезонного протаивания назывался «деятельным слоем» [Сумгин и др.,1940]. Сезонное оттаивание протаивание пород начинается после схода снежного покрова и устойчивого перехода через 0 0С среднесуточной температуры. Пока на линии фронта оттаивания происходит процесс перехода содержащейся воды в грунте из твердого состояния в жидкое (за счет положительных теплооборотов), сезонное протаивание пород продолжается. Формирование глубины сезонного протаивания мерзлых пород определяется как воздействием температуры воздуха и составляющих радиационно-теплового баланса, так и ландшафтно-геологических факторов [Крылов, 1934; Сумгин, 1937; Кудрявцев, 1954]. Все эти факторы можно свести к некоторым обобщенным признакам, названными В.А. Кудрявцевым классификационными [Основы мерзлотного…, 1974]. В качестве классификационных признаков он принимает следующие: средняя годовая температура грунтов, годовая амплитуда температуры на поверхности, литологический состав грунтов и влажность. Первые два признака – средняя годовая температура грунтов и амплитуда температуры на поверхности – географические; они подчиняется широтной и высотной зональности. Последние два признака – литологический состав грунтов и их влажность – являются местными (локальными). Влажность грунтов, наряду с литологическим составом, определяет теплофизические характеристики грунтов в мерзлом и талом состоянии и затраты тепла на фазовые переходы. Чем больше влажность грунтов, тем больше тепла расходуется на фазовые переходы. Коэффициент теплопроводности с грунтов с увеличением их влажности растет медленнее, чем затраты тепла на фазовые переходы, поэтому при реально наблюдаемых в природе значениях влажности сравнительно более влагонасыщенные грунты промерзают и протаивают на меньшую глубину, чем сухие. Влияние литологического состава и влажности пород на процесс сезонного протаивания нередко рассматривают совместно. Увеличение дисперсности пород, как правило, сопровождается повышением их влажности и в целом приводит к снижению глубины протаивания. Таким образом, процесс сезонного протаивания тесно взаимосвязан с типами природного комплекса в ранге фаций, поскольку фации в ландшафтном понимании характеризуют участки, однородные по характеру микрорельфа, растительности и степени увлажнения грунтов. [Изучение…, 1992]. Глубина сезонного протаивания относительно сухих песков увеличивается в 2-3 раза по сравнению с ее значениями для торфяных отложений. Нарушение поверхностных условий (удаление растительного покрова и торфянистого горизонта, его перемешивание и уплотнение при проезде гусеничного транспорта) сопровождается увеличением глубины сезонного протаивания, просадками поверхности и образованием ложбин и различных понижений, частично или полностью затопленных водой. При разовом нарушении напочвенного покрова сезонно-талый слой увеличивался за первые 5-7 лет на 15-40%. В последующие несколько лет отмечалось частичное восстановление нарушенных условий и снижение глубины сезонного протаивания вплоть до ее исходного значения. При ежегодном нарушении поверхности глубина сезонного протаивания льдистых отложений за 13-15 лет увеличилась примерно в два раза [Павлов 2008]. 4.1. Литологический состав и строение сезонно-талого слоя. Ключевая площадка о. Кашин размером 100*100 м характеризуется достаточно простым литологическим разрезом. В нем можно выделить толщи песка и перекрывающие его толщи торфа разной мощности. Около 90% площади участка покрыто торфом, из них больше половины – торфом мощностью более 10 см. Максимальная мощность торфа (более 10 см) наблюдается в северо-западной, западной, центральной и восточной частях участка. Около 10% площади занимают участки, где торф слагает всю толщу СТС. В пределах площадки также имеются малочисленные локальные участки, сложенные с поверхности песком (где торф отсутствует). Таким образом, литологический состав сезонно-талого слоя на участке может быть следующим: однослойные толщи песка или торфа и двухслойная толща песка перекрытого торфом разной мощности (рис. 20). Рис. 20. Распространение и мощность торфа на площадке Кашин. Рельеф на геокриологической площадке острова Кашин имеет слабый уклон на юг к прибровочной части острова. Рельеф площадки Кашин представлен на рис. 21. Характер распространения торфа практически не связан с рельефом, а определяется прежде всего фациальными условиями (рис. 22). Торф мощность до 5-10 см встречается на участках мелкобугристой тундры. На участках болот мощность торфа колеблется от 10 до 20 см. Наибольшая мощность торфа наблюдается в пределах фации торфяников - от 20 см и более. Рис. 21. Рельеф острова Кашин. Рис. 22. Ландшафтная карта площадки CALM «Кашин». Краткое название микрорайонов: 1 – кустарничково-лишайниковая тундра; 2 – травяно-лишайниковая тундра; 3 – мелкобугристая мохово-лишайниковая тундра; 4 – сфагновое болото; 5 – кустарничковолишайниково-сфагновый торфяник; 6 – пушициево-сфагновые валики. Практически весь горизонт сезонно-талого слоя находится в состоянии, близком к водонасыщению, относительно дренированные участки наблюдаются только в самой южной части площадки, ближе к бровке, и на участках пушициево-сфагновых валиков. Величина объемной влажности поверхностных отложений в пределах площадки обратно пропорциональна глубине протаивания. Максимальные величины влажности характерны для заторфованных участков – торфяников и болот, здесь же наблюдаются и наименьшие глубины протаивания. Увеличение глубины протаивания наблюдается только в южной части площадки, ближе к бровке. Таким образом, величина влажности не столько зависит от особенностей мезорельефа на площадке, сколько от особенностей растительного покрова и состава поверхностных отложений. 4.2. Закономерности формирования температурного режима. В исследуемом районе, в отличие от других арктических районов, менее изучены закономерности формирования температурного режима. Поэтому в качестве примера рассмотрим вариации во времени температуры поверхностного слоя грунтов в разнообразных ландшафтных условиях тундровой зоны, которые получены на геокриологическом стационаре мыса Болванский. Общий вид и расположение опорных термометрических скважин показан на рис. 23. Рис. 23. Общий вид мыса Болванский и размещение опорных термометрических скважин.[Малкова Тср] За начальные температурные условия различных ландшафтов принимались среднегодовая температура поверхности (Тп), измеренная в 1983-1984 гг, т.е. в первый год функционирования стационара. Условно все скважины в пределах исследуемого района можно разделить на три группы с разным порядком температуры ММП. Таким образом, наиболее низкая Тп (-2,1...-2,30С) характерна для возвышенных дренированных участков, с которых сдувается снег – вершин холмов и гряд, расположенных в типичном для стационара ландшафте с тундровой растительностью(скв. 53, 54, 59, 83). Ко второй группе, с промежуточными температурами пород Т п, характерны седловины холмов и вогнутые водосборы в верховьях логов, где мощность снега возрастает и развиты полигональные торфяники (скв. 55), температура ММП составляла -1,60С. Такие же температуры имели слабодренированные тундры на склонах увалов (скв. 65). Еще более высокие температуры ММП наблюдаются на бровке хасырея (скв. 51) начальная температура пород которых составляла -1,20С и на останце полигонального торфяника в низовьях лога (скв. 56, начальная Тп составляла -1,00С). Эти скважины расположены в приграничных условиях рядом с талыми участками (днища хасырея и лога) и испытывают их отепляющее воздействие. Температурный режим талых участков характеризует скважина 61, пробуренная в днище хасырея. В начальный период наблюдений, среднегодовая температура талых пород составляла +0,60С. Временная динамика среднегодовой температуры пород для каждого конкретного ландшафта обусловлена климатическими вариациами – динамикой температуры воздуха и толщины снежного покрова. Общий характер изменения Тп на глубине 10 м во всех обследованных скважинах стационара Болванский за 26-летний период наблюдений приведен на рис. 24. Рис. 24. Изменение температуры пород на глубине 10 м на стационаре Болванский в различных ландшафтных условиях. В первое десятилетие во всех скважинах отмечался неустойчивый температурный режим с колебаниями Тп в пределах 0,1-0,2 0С от первоначальных значений и слабой тенденцией к понижению температуры пород, что хорошо коррелировалось с вариациями климата. По ряду организационных и экономических причин, с 1993-1999 гг., из наблюдения за температурой пород, выпал очень важный и климатически изменчивый период. В эти годы температура воздуха испытывала значительные колебания, а в 1998 г. было отмечено самое низкое ее значение. Начиная с 2000 г. температура пород (Тп) во всех скважинах постепенно стало повышаться вслед за значительным потеплением климата и увеличением высоты снежного покрова. К 2009 г. температура многолетнемерзлых пород (ММП) в данных ландшафтных условиях повысилась на 0,5-0,8 0С относительно начала исследований. На полигональном торфянике (скв. 55) повышение Тп несколько ниже – на 0,6 0С. Наименее чувствительны ми к колебаниям климата оказываются эродированные бровки и останцы, сложенные высокотемпературными ММП, где повышение Тп составило 0,2-0,5 0С. Темпы потепления ММП в условиях естественных ландшафтов южной тундры на Европейском севере ниже темпов потепления климата примерно в 2-7 раз. На графике изменения Тп на глубине 10 м (рис. 24.) видно, что за прошедшие три года температура пород в разных скважинах постепенно увеличивалась на 0,2-0,3 0С, в то время как среднегодовая температура воздуха повысилась на 2 0С. Многолетние наблюдения за температурой талых пород в скважине 61, расположенной в хасырее, показали довольно высокую изменчивость Т п на глубине 10 м. За все эти годы она колебалась от +0,2 до +0,1. Таким образом, даже в условиях современного повышения среднегодовой Тв в днище хасырея создаются условия для некоторого понижения температуры пород, что, скорее всего, связано с изменением гидрологического режима болота, а именно с уменьшением его обводненности за счет развития эрозионной сети. Очевидно, что при дальнейшем понижении среднегодовой температуры воздуха можно ожидать формирование перелетка мерзлых пород в пределах талика под днищем хасырея. Для оценки реакции многолетнемерзлых пород на потепление климата при разовом нарушении естественной поверхности ландшафта были организованы специальные площадки мониторинга в 1983 г. Скважина 60 была пробурена на искусственно нарушенном участке со снятым растительным покровом (на том же пологом На рис. 4.2.2 видно, что в первые три года (1984-1987) вслед за похолоданием климата в скв. 60 произошло понижение среднегодовой Тп с -2,2 до -2,4 0С, а в аналогичных ненарушенных условиях в скв. 59 только до -2,3 0С. Такие изменения можно объяснить тем, что в зимний период на нарушенном участке при отсутствии растительности стал формироваться более плотный снежный покров, и поэтому произошло большее охлаждение ММП по сравнению с ненарушенными участками, которое не компенсировалось более сильным летним прогревом оголенного грунта. Затем, в 1993 г на нарушенной площадке началось резкое повышение среднегодовой Тп до -1,4 0С, что было вызвано потеплением климата. По мере постепенного зарастания нарушенного участка началось прогрессирующее понижение среднегодовой температуры пород, несмотря на отмеченное повышение среднегодовой температуры воздуха. По данным наблюдений сотрудников ИКЗ СО РАН, общее повышение среднегодовой Тп, от начального периода измерений, составило 0,80С [Малкова, Тср]. 4.3. Глубина сезонного протаивания. Под глубиной сезонного протаивания пород (ξот) принимается мощность слоя, которая сформировалась к концу лета, при протаивании ММП. Максимальная глубина сезонного протаивания достигается к концу августа, началу сентября. Эта глубина изменяется от первых десятков сантиметров до метров, в зависимости от состава, влажности, теплофизических свойств и температурного режима пород. Глубину сезонного протаивания пород определяют в целях обоснования значений нормативной глубины сезонного оттаивания, а следовательно для назначения глубины заложения и выбора типа фундаментов зданий и сооружений, а также разработки мероприятий, исключающих возможность появления недопустимых деформаций оснований и фундаментов [ГОСТ 26262-84]. Нормативная глубина сезонного протаивания грунта – максимальная глубина протаивания на площадке без растительного покрова по данным многолетних наблюдений. Для определения глубины сезонного протаивания следует применять методы единовременных измерений (метод непосредственных измерений, криотекстурный метод, геофизические методы) и методы режимных наблюдений (температурный метод и метод измерения мерзлотомерами). Наиболее достоверный метод – проходка горных выработок (скважин и шурфов). Граница талых и мерзлых пород определяется по наличию включений льда в породах керна или стенки шурфа, оттенку цвета породы, смене скорости проходки. Более точному определению глубины способствует наличие в разрезе мерзлых пород шлировых включений льда. Широко распространенный метод – зондирование глубины сезонного оттаивания щупом. Он основан на значительном изменение механических свойств пород при замерзании (оттаивании). Щуп – заостренный металлический стержень сечением 8–10 мм и длиной 1,5 м. Простота и доступность этого метода позволяет выполнять большой объем замеров для изучения влияния пространственной изменчивости компонентов природной среды на глубину сезонного оттаивания (рис. 25). Полевые геокриологические исследования на разных участках исследуемого района могут проводиться в различные календарные сроки. Это может быть момент времени, когда формирование слоя сезонного оттаивания пород еще не завершился. Поэтому полученные глубины необходимо приводить к максимальным по методу В.Ф. Тумеля. Для этого на ключевых участках организуется режимные наблюдения за ходом сезонного оттаивания на опорных площадках, захватывающих ландшафты с различными природными условиями. При режимных наблюдениях измерение производится раз в пять дней (любым выше рассматриваемым методом) с момента начала оттаивания пород до полного оттаивания слоя. По этим данным строится кривые Тумеля (кривые интенсивности протаивания), которые позволяют пересчитывать глубину сезонного оттаивания, полученные в различные сроки на максимальное значение глубины сезонного протаивания (ξот) [Методика мерзлотной съемки,1979]. Рис. 25. Измерение глубины протаивания на площадке Кашин. Глубина протаивания в районе исследования определялась посредством зондирования верхней границы мерзлоты металлическим щупом (4-х кратная повторность) на каждом репере. При этом фиксировались особенности микрорельефа и растительности в каждой точке измерения. Из 4-х измерений высчитывалось среднее значение для каждого репера. Характеристика сезонно-талого слоя. Исследуемый участок характеризуется неравномерной глубиной протаивания. Мощность сезонно талого слоя меняется от 30 до 140 и более см. Мощность сезонноталого слоя в пределах от 70 до 140 см характерна для тундровых участков с мощностью торфа менее 15 см. Это территории кустарничкого-лишайниковой, травянолишайниковой и мелкобугристой тундр. На территориях болот, торфяников и пушициевых валиков с мощностью торфа в пределах от 15 до 25 см и более глубина протаивания минимальная - для этого исследуемого участка, она меняется от 30 до 70 см в зависимости от мощности торфа. В целом видно, что мощность торфяного слоя напрямую влияет на глубину протаивания, чем больше мощность торфа, тем меньше протаивание (рис. 26). Это в первую очередь связано с их теплофизическими свойствами и высокой влажностью этих органоминеральных отложений. Рис. 26. График изменения глубины СТС в различных фациальных условиях. За период наблюдений с 2010 г по 2013 гг. мы наблюдаем межгодовую и локальную (внутри площадки) изменчивость глубины СТС. Это происходит в результате незначительного изменения характера теплообмена на поверхности, т.е. температуры воздуха в течение года, характера снегонакопления и выпадения жидких осадков, а также в результате изменения влажности пород СТС. Карта глубины протаивания указана на рис. 27. Сравнивая данные по глубине протаивания за период с 2010 по 2013 гг, мы наблюдаем минимальные значения протаивания сезонноталого слоя в 2010 г. по всем градациям мощностей торфа, в среднем по всей площадке глубина протаивания составляла 58 см. Максимальное протаивание пород наблюдалось в 2012 г., и составляло 88 см в среднем для всей площадки. Это скорее всего связано с увеличением теплого периода в районе исследований в 2012 гг.. В 2013 г. глубина протаивания несколько уменьшилась (до 87 см в среднем по площадке), поскольку лето 2013 г. было прохладнее 2012 г. Указанные закономерности прослеживаются также в выборках для участков с различной мощностью торфа. (рис. 28). Рис. 27. Карта глубины протаивания площадки CALM-Кашин за 2010-2013 гг. Рис. 28. Глубина протаивания ММП при различной мощности торфа, см. Остров Кашин 2010…2013гг. Статистические характеристики величины протаивания в выборках с различной мощность торфа приведены в таблице 3. Таблица 3. Минимальная, максимальная и средняя глубина протаивания грунтов в зависимости от мощности торфа на площадке Кашин в период с 2010 по 2013 г. Также существуют различные расчетные методы определения глубин сезонного оттаивания (промерзания). Для вскрытия частных и общих закономерностей формирования сезонного оттаивания горных пород В.А. Кудрявцевым была выведена приближенная формула, которая позволила увязать глубину сезонного оттаивания пород с основными классификационными параметрами (среднегодовая температура пород, амплитуда температуры на поверхности пород, литологический состав пород, их влажность). Формула выведена для периодически установившегося режима температур и является обобщением законов Фурье. Формула для определения максимальных за годовой период глубин оттаивания (промерзания) пород: λ – коэффициент теплопроводности пород, ккал/(м3*ч*0С); Qф– теплота фазовых переходов, ккал/м3; С – объемная теплоемкость пород, ккал/( м3*0С); Т – период, равный году, ч; tξ – среднегодовая температура пород на глубине ξ, 0С; Ап – амплитуда годовых колебаний температуры на поверхности пород, 0С. Уравнение справедливо при условии равенства тепло-физических свойств пород в талом и мерзлом состояниях [Методика мерзлотной съемки,1979]. Установлено, что максимальная относительная ошибка в довольно большом диапазоне влажностей и амплитуд не превышает 5%; при уменьшении влажности расхождения уменьшаются. На основе формулы В.А. Кудрявцева была построена серия номограмм для удобного определения глубины сезонного оттаивания. Номограммы представляют собой серии графиков, где изменения глубины сезонного протаивания (промерзания) дается по оси ординат в метрах, в зависимости от изменения четырех параметров, где по оси абсцисс нанесены: среднегодовая температура пород на подошве слоя сезонного промерзания или протаивания tξ(с учетом влияния температурной сдвижки Δtλ); амплитуда годовых колеба-ний на поверхности почвы А0 (физическое значение амплитуды воздуха с учетом влияния всех факторов, формирующих температурный режим поверхности); количество тепла, затрачиваемого на фазовые переходы воды при оттаивании (промерзании) 1 м3 породы, Qф; объемная теплоемкость талых пород Соб.т. (для случая сезонного оттаивания). Метод, предложенный В.А. Кудрявцевым, может быть применен не только для расчета глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания пород в естественных условиях. Он позволяет проводить прогноз изменения геокриологоческих условий при освоении территории. Входящие в формулу В.А. Кудрявцева параметры доступны для получения. Температурный режим пород определяется на основе температуры воздуха, получаемого по метеостанции с учетом введения соответствующих поправок – влияние снега, растительности, водных покровов, теплопроводности пород в талом и мерзлом состоянии. Методика расчета этих поправок подробно изложена в учебнике «Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях» (главы IV, V). Состав и влажность пород получаются при изучении в поле слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания. Теплофизические свойства пород могут быть получены полевыми методами или в лаборатории. Таким образом, все параметры входящие в расчетный метод Кудрявцева доступны и могут быть получены при полевых исследованиях. Заключение. В результате проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы. По данным метеорологических наблюдений, на стационаре Болванский и Кашин произошли существенные климатические изменения: средняя многолетняя температура воздуха повысилась. Средняя максимальная толщина снегоотложений составляет 61 см, в отдельные годы превышала 80 см. Для прибрежных районов Европейского севера в подзоне южной тундры сохраняются общие тенденции реакции криолитозоны на потепление климата, которые отмечались другими исследователями в ряде северных регионов. Для стационара Болванский темпы потепления ММП в условиях естественных ландшафтов южной тундры ниже темпов потепления климата в 2–7 раз. При нарушении естественной поверхности ландшафта тренды повышения среднегодовой температуры ММП резко увеличиваются, и стремятся к тренду изменения среднегодовой температуры воздуха. За 30 лет после нарушения не произошло полного восстановления первоначальных ландшафтных условий, а температура пород на нарушенных площадках повысилась на 0,8…1,0 °С. На исследуемой площадке, мощность сезонно-талого слоя меняется от 30 до 140 и более см в зависимости от ландшафтных (фациальных) условий, а следственно от мощности торфяного слоя. В целом видно, что мощность торфяного слоя напрямую влияет на глубину протаивания, чем больше мощность торфа, тем меньше протаивание. Это в первую очередь связано с теплофизическими свойствами и высокой влажностью этих органоминеральных отложений. Существует межгодовая изменчивость как локальной (измеренной по реперам), так и средней для всей площадки глубины протаивания. Минимальная глубина протаивания на площадке была зафиксирована в 2010 г, что можно объяснить предшествующим периодом похолодания. Максимальная глубина протаивания пород наблюдалась в 2012 г. вслед за теплой и снежной зимой 2011/2012 г и теплым летом 2012 г, а в последний 2013 год глубина сезонно-талого слоя незначительно сократилась. Список литературы. 1. Алисов Б.П. «Климат СССР : учебное пособие.» Москва: Высшая школа, 1969, 104 с. 2. «Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов» под ред. Е.С. Мельникова и С.Е. Гречищева. Колл. авторов. Москва: ГЕОС, 2002, 402 с. 3. «Геокриология СССР. Европейская территория СССР» под ред. Э.Д. Ершова, Москва: Недра, 1988, 358 с. 4. Геология СССР. Т. 2 Архангельская и Вологодская области и Коми АССР, Ч. 1 Геологическое описание. Колл. авторов. Москва: Издательство литературы по геологии и охране недр, 1963, 1079 с. 5. ГОСТ 26262-84. Грунты. Методы полевого определения глубины сезонного оттаивания. Издательство стандартов, 1984, 6 с. 6. Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. «Общее мерзлотоведение», Москва: Издательство Московского Университета, 1967, 403 с. 7. Ершов Э.Д. «Общая геокриология. Учебное пособие», Москва: Издательство МГУ, 2002, 682 с. 8. Изучение инженерно-геологических и гидрогеологических условий верхних горизонтов пород в нефтегазоносных районах криолитозоны (Методическое руководство) / Под ред. Е.С. Мельникова, С.Е. Гречишева, А.В. Павлова. Москва: Недра, 1992. 288 с. 9. Информационный отчет на тему «Исследование криогенных процессов территории НАО», Москва, 2004, 155 с. 10. Кудрявцев В.А. Температура верхних горизонтов вечномерзлой толщи в пределах СССР. Москва: Издательство АН СССР, 1954. 182 с. 11. Крылов М.М. К теплотехническому анализу промерзания фунта // Вестн. инженеров и техников. 1934. № 1. 12. Малкова Г.В. Мониторинг среднегодовой температуры пород на стационаре Болванский//Криосфера Земли, 2010, т.XIV, № 3, с. 3-14 13. Материалы ИКЗ СО РАН 14. «Методика мерзлотной съемки», под ред. Кудрявцева В.А., Москва: Издательство МГУ, 1979, 358 с. 15. Методические рекомендации по стационарному изучению криогенных физикогеологических процессов. Москва, ВСЕГИНГЕО, 1979. 71 с. 16. Методические рекомендации по прогнозу развития криогенных физикогеологических процессов в осваиваемых районах Крайнего Севера / Под ред. Гречищева С.Е., Москва: ВСЕГИНГЕО, 1981, 78 с. 17. «Основы геокриологии. Ч. 4.» / Под ред. Гарагули Л.С., Ершова Э.Д., Москва: Издательство МГУ 18. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Москва: Издательство МГУ, 1974. 432 с. 19. Павлов А.В. «Мониторинг криолитозоны», Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2008, 229 с. 20. Сергеев Д.О., Ухова Ю.А., Станиловская Ю.В., Романовский В.Е. Температурный режим многолетнемерзлых толщ и сезонноталого слоя в горах Северного Забайкалья (возобновление стационарных наблюдений) // Криосфера Земли, 2007, т.XI, № 2, с. 19-26 21. Сумгин М.И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. 2-е изд. Москва: Издательство АН СССР, 1937. 379 с. 22. Сумгин М.И., Качурин С.П., Толстихин Н.И., Тумель В.Ф. «Общее мерзлотоведение», Москва: Издательство АН СССР, 1940, 340 с.
