Криоморфогенез и литодинамика прибрежно-шельфовой зоны морей Восточной Сибири

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРИОМОРФОГЕНЕЗ И ЛИТОДИНАМИКА ПРИБРЕЖНО-ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЫ МОРЕЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Григорьев Михаил Николаевич

Якутск 2008

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты доктор географических наук, профессор Владимир Романович Алексеев

доктор географических наук, профессор Вячеслав Николаевич Конищев

доктор геолого-минералогических наук, профессор Октавий Несторович Толстихин

Ведущая организация Геологический факультет Московского государственного университета им М.В. Ломоносова

Защита состоится «21» октября 2007 г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Оригиналы отзывов на автореферат (в 2-х экз.), заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Марку Михайловичу Шацу.

Копии отзывов для скорой доставки можно направлять по Факсу: 8-4112-334-476 или электронной почтой: mpi@ysn.ru

Автореферат разослан « » сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.г.н. М.М. Шац

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Предлагаемая тема исследований относится к фундаментальным проблемам эволюции Арктики в области взаимодействия криолитозоны, атмосферы и гидросферы. Эта тема входит в состав нескольких российских и международных программ и проектов, включая кластерные проекты Международного Полярного Года. Хотя арктическая прибрежно-шельфовая криолитозона изучается давно, влияние мерзлоты на эволюцию берегов и шельфовых систем арктической части Восточной Сибири до сих пор недостаточно оценивается в количественном и качественном отношениях. Льдистые берега чутко реагируют на происходящие в настоящее время климатические изменения во всем арктическом регионе. Поэтому мониторинг и прогноз динамики береговых линий, отступающий на отдельных участках этих морей со скоростью более 10 м в год, здесь являются первоочередными задачами. Их решение особенно важно для Восточной Сибири, теряющей более 10 кв. км прибрежной суши в год. Столь быстрое разрушение льдистых берегов обеспечивают процессы термической денудации, абразии и эрозии, термического карста и криогенные склоновые процессы в сочетании с другими процессами морфогенеза. Данная работа так же связана с оценкой баланса терригенных масс, поступающих в Северный Ледовитый океан (СЛО). В исследуемом регионе объем наносов, высвобождаемых вследствие разрушения берегов и выносимых на шельф, наибольший в Арктике. В потоке береговых наносов морей Восточной Сибири количество органического углерода превышает его суммарный вынос из берегов остальных арктических морей. Информация об объемах органики, ранее законсервированной в прибрежных многолетнемерзлых породах (ММП), и попадающей в море, важна для расчета дополнительных источников парниковых газов.

Субаквальные многолетнемерзлые породы (СММП) или подводная мерзлота - слабо исследованный объект шельфа Восточной Сибири. До сих пор неизвестно фазовое состояние грунтовых вод на огромных площадях под дном арктического шельфа, существуют ли реликтовые многолетнемерзлые породы в относительно глубоководной части шельфа арктических морей и даже вблизи отдельных типов побережья. Анализ материалов по прибрежной зоне шельфа, показывает, что динамика преобразования (в основном деградация) верхних горизонтов СММП весьма неоднородна вблизи разных типов побережья и при различных глубинах моря. Выявление закономерностей распространения и эволюции подводной мерзлоты на шельфе арктических морей - одна из актуальных проблем геокриологии.

Теоретические проблемы, рассматриваемые в работе, состоят в выяснении закономерностей криоморфогенеза в пределах, как наземной береговой системы, так и подводной, включающей верхние горизонты СММП на подводном береговом склоне. Для определения среднемноголетних скоростей отступания эрозионных берегов и подсчета минерального и органического материала, поступающего из береговой зоны на шельф в специфических природных условиях морей Восточной Сибири, разработана новая методика, включающая использование ГИС-технологий. Одной из теоретических задач являлось выяснение места и роли криогенных процессов в береговом морфогенезе морей Восточной Сибири. Современное потепление в Арктике поставило еще одну теоретическую проблему - оценку и прогноз реакции берегов на изменение климата. По предварительным данным, заметная активизация береговой эрозии отмечается лишь в период пиков потепления, в частности она четко выражена в 2004-2007 гг.

Не менее важной теоретической задачей является определение характера взаимодействия надводной (береговой) части криолитозоны с прилегающей подводной мерзлотой. Оказалось, что динамически они тесно связаны. Ускорение или замедление темпов разрушения ММП в пределах одной из этих частей закономерно сказывается на состоянии другой системы. Анализ морфологии кровли СММП в прибрежной части исследуемых морей показал, что уклоны поверхности деградирующей подводной мерзлоты имеют достаточно сложный характер и, в целом, зависят от специфики прибрежно-морских гидрологических процессов, особенностей динамического режима береговой зоны, типа и конфигурации побережья.

Объект исследований - побережье и мелководная шельфовая зона арктических морей Восточной Сибири. Наиболее подробно исследованы льдистые берега, преобладающие в этом регионе, и мерзлота на прилегающем подводном береговом склоне, по которому, в отличие от относительно глубоководного шельфа, имеется достаточный объем мерзлотно-геологической информации.

Предмет исследований - взаимодействие процессов криоморфогенеза и литодинамики, оценка их роли в эволюции подводной и береговой мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Исследуются криогенные рельефообразующие процессы, их динамика и закономерности развития в береговой зоне и на прибрежном шельфе, формирование потоков наносов, попадающих на шельф из эрозионных берегов, а также эволюция СММП.

Методы исследований. Использовался комплекс мерзлотно-геологических методов в сочетании с методами морфогенетического анализа. Полевые методы исследований основывались на многолетних наблюдениях за береговыми сетями искусственных и природных реперов, теодолитной съемке для выяснения скоростей береговых процессов на ключевых участках; изучении естественных береговых разрезов (обнажений) и бурении профилей на побережье и прибрежном шельфе для определения состава, льдистости и других параметров пород. Дистанционные методы опирались на сравнительный анализ аэрофотоснимков (АФС), крупномасштабных топографических карт и космических снимков, а также на сравнение АФС с натурными данными. Для обработки дистанционных материалов использовалась ГИС-программа ENVI 3.4, 3.7. Методика лабораторных исследований включала ряд стандартных методов гранулометрического и минералогического анализа, определения содержания органики, льдистости-влажности пород, их возрастного датирования различными методами.

Для определения средних скоростей береговой эрозии и массы берегового материала, поступающего на шельф, была разработана методика, базирующаяся на детальном сегментировании побережий морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, описании и расчете их основных морфологических, геолого-геокриологических и динамических параметров. Для обобщения полученных данных и выявления различных динамических параметров береговой зоны, а также для современного информационного представления материалов исследований был использован ГИС-метод - создана береговая база данных исследуемых морей, включающая 13 основных мерзлотно-геологических и геоморфологических параметров для каждого из 123 береговых сегментов. База данных была организована с помощью ГИС-технологий (на основе пакета программ ArcInfo/ArcView 8.1).

Цель исследований - разработать современную концепцию формирования прибрежно-шельфовой криогенной геоморфологической системы в пределах морей Восточной Сибири, показать роль криоморфогенеза в ее эволюции и закономерные связи мерзлотно-геоморфологических и литодинамических процессов в пределах ее надводной и подводной подсистем.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) проанализировать имеющиеся научные представления о криоморфогенезе и литодинамике в прибрежно-шельфовой зоне арктических морей;

2) классифицировать морфодинамические типы побережий;

3) изучить закономерности проявления и развития процессов криоморфогенеза, показать их роль и место в ряду других процессов морфогенеза, участвующих в трансформации морских берегов Восточной Сибири;

4) определить среднемноголетние скорости отступания эрозионных берегов морей Восточной Сибири;

5) оценить объемы осадков, включая органический материал, поступающих из берегов на арктический шельф;

6) проанализировать имеющиеся материалы о распространении и темпах деградации верхних горизонтов подводной мерзлоты (СММП) в исследуемом регионе на основе данных буровых профилей, пройденных на прибрежном шельфе, геофизического зондирования и математических моделей;

7) изучить среднюю скорость понижения (деградации) кровли СММП в различных природных условиях в пределах подводного берегового склона;

8) исследовать закономерности, определяющие уклоны кровли СММП на ключевых участках прибрежного шельфа;

9) выявить связи динамических параметров надводной и подводной частей криогенной прибрежно-шельфовой системы.

Научная новизна работы.

1. Впервые количественно обоснована ведущая роль комплекса криогенных процессов (термоабразия, термоденудация, термокарст, солифлюкция, термосуффозия, а также боковая, донная и регрессивная термоэрозия) в разрушении морских берегов Восточной Сибири.

2. Впервые оценены средние многолетние скорости отступания всей береговой линии морей Лаптевых и Восточно-Сибирского и всех их береговых сегментов.

3. Впервые выяснено, что процессы берегового морфогенеза в пределах побережий, сложенных дисперсными плейстоценовыми льдонасыщенными породами («ледовый комплекс», занимающий более 30% протяженности побережий исследуемых морей), продуцирует на шельф 3/4 суммарного берегового потока наносов.

4. Впервые установлено, что поток наносов из разрушающихся берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского составляет более 150 млн. тонн в год (более половины всего арктического потока берегового материала в Северный Ледовитый океан), что почти в три раза превышает объем регионального твердого речного стока.

5. Впервые количественно оценена величина потока органического углерода, поступающего на шельф морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, формирующегося, преимущественно, в процессе берегового криоморфогенеза. Этот поток намного превышает объем выноса берегового органического углерода в остальные моря СЛО.

6. Установлены средние уклоны кровли и темпы деградации подводной криорлитозоны на прибрежном шельфе морей Восточной Сибири.

7. Доказана связь уклонов кровли СММП, понижающейся от береговой линии в сторону моря, с динамическим режимом береговой зоны.

Защищаемые положения.

1. В силу высокой льдистости многолетнемерзлых пород береговой зоны морей Восточной Сибири, где доля ледового комплекса от длины побережья составляет боле трети, процессы криоморфогенеза играют ведущую роль в разрушении их берегов, формируя самые динамичные в Арктике геоморфологические и ландшафтные зоны. Скорость разрушения береговых секторов, содержащих ледовый комплекс, в 5-7 раз выше, чем секторов с малольдистыми толщами. При этом, темп теряемой площади суши этих морей составляет 10,7 км² в год.

2. Разрушаемые берега морей Восточной Сибири продуцируют наибольшее количество берегового обломочного материала (152 млн. тонн/год) и органического углерода (4 млн. тонн/год), поступающих в арктический бассейн и превышающих суммарный береговой вынос всех остальных арктических морей (по обломочному материалу 55%, по органическому углероду 69%). Масса обломочного материала, поступающего из берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, почти в три раза превосходит региональный твердый сток рек.

3. Ледовый комплекс побережий морей Восточной Сибири является важнейшим источником берегового потока наносов, как в эти моря, так и в арктический бассейн в целом. Его доля в потоке наносов из берегов всех арктических морей составляет 42%, а по органическому выносу - 66%. Ведущим экзогенным фактором, определяющим объемы этих потоков, является криоморфогенез.

4. Скорость деградации реликтовых субаквальных многолетнемерзлых пород определяется их строением и мощностью залегающих на них осадков, а также температурой и соленостью придонного слоя воды и характером гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне шельфа. Эта скорость составляет первые десятки сантиметров в верхней части подводного берегового склона, а в нижней его части уменьшается до долей сантиметра в год. В связи с неравномерностью темпов протаивания СММП, их кровля, понижающаяся от берега в море, в большинстве случаев имеет вогнутый профиль. прибрежный шельфовый криоморфогенез сибирь

5. Субаквальная мерзлота сохраняется на большей части подводного берегового склона морей Восточной Сибири и, являясь частью прибрежно-шельфовой криогенной системы, динамически связана с особенностями развития ее наземной части - многолетнемерзлых пород береговой зоны. Величина уклонов кровли СММП в пределах подводного берегового склона является функцией времени их нахождения в субаквальных условиях и определяется динамическим режимом прилегающего берегового сектора. Уклоны кровли подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне этих морей варьируют в широких пределах, от 0,0002 до 0,1, составляя в среднем 0,011.

Практическое значение работы связано с освоением береговой и подводной мерзлоты. Деструктивные криогенные процессы на исследуемом побережье протекают значительно активнее в сравнении с другими арктическими побережьями. Более трети от общей протяженности береговой линии морей Лаптевых и Восточно-Сибирского занимают берега, сложенные ледовым комплексом, который является весьма неустойчивым к воздействию моря, климатическому потеплению и антропогенному воздействию. Быстрое отступание береговых уступов, активизация поверхностных криогенных явлений на прилегающих участках побережья часто приводят к разрушению домов, других инженерных сооружений и коммуникаций, береговых навигационных сооружений - маяков, к утере радиоактивных навигационных объектов (радиоизотопных термоэлектрических генераторов). Отмечающееся в Арктике потепление климата и сокращение площади паковых льдов будут способствовать активизации штормовых условий, увеличению мощности сезонно-талого слоя (СТС) и ускорению отступания берегов. Это усилит поступление из берегов на шельф эрозионного потока наносов, включая органический углерод, который является дополнительным источником парниковых газов, метана и углекислого газа. Научная оценка и прогнозирование отмеченных явлений позволяют минимизировать риски освоения изучаемых прибрежных территорий в отношении береговой эрозии и деструктивных криогенных процессов.

Толщи ММП шельфовой зоны оказались под водой из-за последней трансгрессии и быстрого отступания берегов морей Восточной Сибири. Доказано, что в пределах подводного берегового склона темпы деградации подводной мерзлоты (СММП) сверху достигают первых десятков сантиметров в год, что ведет к соответствующим просадкам дна, часто компенсирующимся наносами из берегов. Контроль изменения глубин - важнейшего навигационного параметра, с учетом влияния процессов деградации СММП, имеет существенное практическое значение. Мерзлотные особенности дна моря Лаптевых важны и как инженерная основа для любых видов работ на шельфе, например, в случае начала освоения углеводородных и других ресурсов на восточно-арктическом шельфе. Изучение СММП важно так же для поиска газоконденсатных месторождений на шельфе, поскольку само существование этой субстанции возможно лишь в относительно узком термодинамическом диапазоне: высокое давление и низкая температура. Подводная мерзлота может быть «хранителем» такого сырья.

Достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации сформулированы на основе анализа фактического материала, полученного в результате многолетних наблюдений за развитием арктических берегов и изучения субаквальной криолитозоны буровыми методами. Для оценки средних многолетних скоростей разрушения берегов и объемов выноса из них обломочного и органического материала была создана база данных с информацией по 123-м береговым сегментам изучаемых морей. Для анализа эволюции и распространения подводной мерзлоты были привлечены все собственные и опубликованные материалы по буровым профилям.

Все полученные материалы методически обоснованы. Выводы и расчеты, касающиеся определения основных параметров развития криогенных процессов на берегах и в пределах подводного берегового склона, подкрепляются большим объемом фактического материала. Полученные данные ежегодно обсуждались автором с российскими и зарубежными коллегами, докладывались на сорока пяти конференциях, опубликованы в 62 статьях, а также цитировались в десятках научных изданиях.

Личный вклад автора. Диссертация выполнена автором в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН в рамках программ фундаментальных исследований РАН и СО РАН, проектов РФФИ, ряда региональных, российских и международных арктических программ и проектов. В работе использованы результаты исследований, проведенных в 1982-2007 гг. под руководством и непосредственном участии автора на арктическом побережье Якутии и шельфе морей Лаптевых и Восточно-Сибирского в составе 23-х экспедиций.

Фактический материал по всем ключевым участкам побережья исследуемых морей собран, обработан и проанализирован непосредственно автором. Автор принимал участие в береговых исследованиях и бурении на шельфе, в том числе, в их организации. Идея и методика создания базы данных берегов морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского и их воплощение принадлежат автору, включая детальные оценки динамики берегов и потоков береговых наносов. Существенная активизация научно-экспедиционных исследований в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Сибири в течение последних 10 лет (1998-2007 гг.) стала возможной благодаря Российско-Германскому сотрудничеству в рамках межправительственного проекта «Система моря Лаптевых». В ходе проекта были проведены дорогостоящие работы с соответствующим транспортным, буровым, современным приборным и аналитическим обеспечением, получен большой массив новых данных, в частности по мерзлоте, геологии и геоморфологии этого региона. Автор был в числе руководителей и организаторов всех десяти совместных экспедиций.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях и совещаниях: «Рациональное природопользование в криолитозоне», Якутск (1990 г.); «Эволюционная геокриология. Процессы в Арктических районах на территории криолитозоны», Пущино (1995 г.); Первая конференция геокриологов России. МГУ, 1996; «Фундаментальные исследования криосферы Земли в Арктике и Субарктике», Пущино (1996 г.); 3^rd QUEEN Workshop (Quaternary Environmental of the Eurasian North), Oystese, Norway (1999 г.); «Мониторинг Криосферы», Пущино (1999 г.); «Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке», Москва, ИО РАН (2000 г.); 4^th Workshop QUEEN (Quaternary Environment of the Eurasion North); International Workshop on Land-Ocean interactions in the Russian Arctic (LOIRA), Moscow (2000 г.); «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли», Пущино, (2001 г.); ACIA Workshop «Russian climate research and monitoring in the Arctic», St Petersburg, Russia, (2001 г.); 2^nd workshop «Siberian river run-off» (SIRRO), Bremerhaven, Germany (2001 г.); «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты», Пущино (2002 г.); «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущино (2003 г.); 8^th International Conference on Permafrost, Zurich, Switzerland (2003 г.); 5^th Workshop «Arctic Coastal Dynamics», MacGill University, Montreal, Canada (2004 г.); «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень (2004 г.); «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли», Пущино (2005 г.); 2^nd European Conference on Permafrost, Potsdam, Germany (2005 г.); «Россия в Международном Полярном Году 2007/08», Сочи (2006); «Проблемы корреляции плейстоценовых событий на Российском Севере» (COPERN), ВСЕГЕИ, C.-Петербург (2006 г.); 8^th Workshop «Laptev Sea System, Process Studies on Permafrost Dynamics in the Laptev Sea», St. Petersburg, AARI (2006 г.); «Россия в Международном Полярном Году: первые результаты», Сочи (2007 г.).

1. Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 статей, в том числе 14 статей в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК: «Криосфера Земли», «Океанология», «Наука и образование», «Вестник Московского университета» (серия География), «International Journal of Earth Sciences», «Permafrost and Periglacial Processes», «Quaternary International», «International Journal of Marine Geology. Geo-Marine Letters», «Transactions, American Geophysical Union», «Journal of Coastal Research», «Journal of Geophysical Research. Solid Earth», а также авторская и три коллективные монографии.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения и приложения. Общий объем работы составляет 290 страниц, включая 33 таблицы, 100 рисунков и список литературы из 326 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Института мерзлотоведения СО РАН, совместно с которыми проводились арктические исследования, - С.О. Разумову, С.Ю. Королеву, Е.А. Слагоде, А.Н. Курчатовой, Ю.В. Шумилову, А.К. Потибенко, К.Л. Киренскому, Н.И. Новикову, В.А. Николаеву, а также ведущим ученым института - Р.В. Чжану, В.В. Шепелеву, М.Н. Железняку, Р.М. Каменскому, В.Т. Балобаеву, В.Б. Спектору за советы и замечания.

Искренняя признательность сотрудникам других организаций, спутникам и помощникам в полярных экспедициях - Ю.Л. Шуру, Д.Ю. Большиянову, А.Ю. Деревягину, Т.В. Кузнецовой, Е.Н. Абрамовой и зарубежным ученым - Ф. Рахольду, Х.-В. Хуббертену, Е.-М. Пфайффер, Л. Ширрмайстеру, В. Шнайдеру, Г. Швамборну, Г. Гроссе, Р. Юнкеру, М. Фукуде, М. Алларду, Спасибо за поддержку наших арктических исследований Л.А. Тимохову, С.М. Прямикову, Х.-М. Кассенс, Й. Холлеману, Т. Остеркампу, Дж. Брауну, Н. Котре, П. Овердуину. Большая благодарность за помощь в организации полевых работ Ю.А. Бражникову, Д.В. Мельниченко, Н.А. Манько, В.А. Добробабе, Д.Н. Горохову, А.Ю. Гукову, И.Ф. Воробьеву, Я.В. Биллеру и В.М. Макагонову.

Особую благодарность хотелось бы выразить ведущим специалистам по береговым процессам и субаквальной криолитозоне Арктики Ф.Э. Арэ и Н.Н. Романовскому за постоянную научную и моральную поддержку, а также многолетнему (с 1982 г.) полевому спутнику и мудрому советнику В.В. Куницкому.

Хочется поблагодарить университетских (МГУ) научных руководителей автора в студенческие и «послестуденческие» годы Г.И. Рычагова и Е.И. Игнатова, которые направили интерес автора к познанию береговых и шельфовых процессов в начале его научного пути.

Автор всегда будет благодарен своим родителям - отцу, мерзлотоведу и полярнику, Н.Ф. Григорьеву и матери, тоже мерзлотоведу, Т.П. Кузнецовой за то, что, начиная еще со школьных лет, они привили мне тягу к полевым работам на севере Сибири и любовь к Арктике.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 «Аналитический обзор. Основные терминологические понятия и изученность» подробно рассматриваются терминологические понятия, которые используются в работе. Сделан обзор терминов по разным типам отрицательно-температурных пород, береговой и прибрежно-шельфовой зонам, лито- и морфодинамике, мерзлотной геоморфологии, а также, отдельно, по криогенным геоморфологическим процессам. Определено, почему те или иные термины используются в диссертационной работе. Проведен анализ подходов к предмету мерзлотной геоморфологии в тех рамках, в которых в последующих главах рассматриваются процессы криоморфогенеза и литодинамики.

Изучение береговой зоны морей Восточной Сибири проводили многие исследователи (Толь, 1897; Ермолаев, 1932; Вильнер, 1955; Гаккель, 1957, 1958; Митт, 1954; Н. Григорьев, 1966; Клюев, 1970; Каплин и др., 1971; Holmes, Creager, 1974; Молочушкин, 1975; Аре, 1980, 1985, 1987; Новиков, 1981, 1984; Арчиков и др., 1982; Коротаев, 1984; Григорьев, 1993, 1996, Reimnitz, et al. 1994; Разумов, 1996; Павлидис и др., 1998; Are, 1998; Каплин, Селиванов, 1999; Лопатин, 1999; Medkova, 1999; Semiletov, 1999, 2000; Григорьев, Куницкий, 2000, 2007; Rachold et al., 2000, 2002, 2007; Are et al., 2000, 2005, 2008; Романовский и др., 1999, 2006; Романкевич, Ветров, 2001; Слагода, 2002; Разумов, 2001, 2003, 2007; Grigoriev et al., 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007; Григорьев, 2004; Григорьев и др., 2006; Overduin et al., 2007; Grigoriev, 2007 и другие). Тем не менее, существует множество пробелов как в понимании закономерностей развития береговых процессов, так и в информации о скоростях развития берегового морфогенеза. Значительное число крупных береговых секторов побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского до сих пор не изучалось ни полевыми, ни дистанционными методами. На рисунке 1 показаны все ключевые участки, где проводилось изучение берегов морей Восточной Сибири. Со второй половины ХХ века стали применяться методы сравнительного анализа аэрофотоснимков разных лет и повторных инструментальных (топографических) съемок. В 70-х - 90-х годах прошлого века и в начале этого проводился регулярный многолетний мониторинг за отступанием берегов с помощью реперных сетей. В изучаемом регионе такие наблюдения осуществляются лишь на нескольких ключевых участках. В изучаемом регионе такие наблюдения осуществляются лишь на нескольких ключевых участках. К ним относятся о-в Муостах и Быковский п-ов в море Лаптевых. Ключевые участки по берегам Восточно-Сибирского моря находятся в районе мыса Крестовского.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Схема ключевых участков на побережье морей Восточной Сибири, изученных в отношении темпов береговых процессов (черный круг - участок полевых исследований автора)

Ключевых участков изучения подводной мерзлоты гораздо меньше, чем береговых (рис. 2). Впервые подводную мерзлоту, описанную в литературе, наблюдал в 1739 г. Х.П. Лаптев, в море же Лаптевых, вблизи восточного побережья п-ова Таймыр (Лаптев, 1851). Участники экспедиций: Э.В. Толль (1901), Ф.А. Маттисен (1903), М.И. Бруснев (1904), А.В. Колчак (1909) и Х.У. Свердруп (1930), исследуя моря Восточной Сибири, отмечали на отдельных участках мерзлое состояние донного грунта. Первые серьезные исследования подводной мерзлоты с получением буровых кернов, проведены в этом регионе В.М. Пономаревым (1940) в бухте Кожевникова, на дне которой установлены слоистые мерзлые породы. Во второй половине ХХ и в начале этого века буровые и геофизические работы проводились на шельфе изучаемых морей на 30-ти ключевых участках.

Рис 2 Схема ключевых участков изучения СММП Восточной Сибири (серый круг - участок, где имеются опубликованные материалы по буровым профилям, вскрывшим СММП)

К настоящему времени заметно увеличился объем информации об арктических толщах СМПП. Такая информация приводится в ряде изданных работ (Пономарев, 1950; Н. Григорьев, 1952, 1973, 1966, 1987; Иванов, 1969; Клюев 1970; Каплин и др., 1971; Катасонов, Пудов, 1972; Reimnitz et al., 1972, 1994; Mackay, 1972; Молочушкин, Гаврильев, 1970; Молочушкин, 1973; Schneider et al., 1975; Соломатин, Фишкин, 1975; Аре, 1976, 1980, 1987; Hum,, Schalk (1976); Macaulay et al., 1977; Rodgers, Morack, 1977; Данилов, Жигарев, 1977; Жигарев, Плахт, 1977; Фартышев, 1978, 1993; Chamberlain et al, 1978; Osterkamp, Garrisson, 1978; Данилов, 1978; Соловьев, 1981; Жигарев, 1981; Антипина и др., 1981; Куницкий, 1986; Taylor et al., 1989; Ним, 1989; Григорьев, 1993, 1996; Павлидис и др., 1998; Hinz et al., 1998; Bauch et al., 1999; Григорьев, Куницкий, 2000; Kassens., 2000, 2001; Gavrilov et al., 2001, Kholodov et al., 2001; Tipenko и al, 2001; Hubberten, Romanovskii, 2001, 2003; Romanovskii et al., 1998, 2000, 2003; Слагода, 2002; Куницкий, 2007; Разумов, 2007 и другие). Несмотря на довольно большой список приведенных публикаций, ряд важнейших параметров СММП практически не изучен. Это, прежде всего, связано с незначительным объемом фактического материала, полученного по результатам буровых работ, которые проведены лишь на некоторых прилегающих к берегам мелководьях и в весьма малых объемах.

В районах развития современных дельтовых образований, выдвигающихся в море, и в мелководных заливах часто происходит новообразование многолетнемерзлых толщ, мощность которых достигает 10-20 м. Зона их распространения обычно ограничена изобатой 2,5 м, а по горизонтали - до 20 км в море от края дельт. Изучением таких толщ в прибрежной зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского углубленно занимались Н.Ф. Григорьев, 1966; Е.Н. Молочушкин, 1975; М.С. Иванов, 1969; В.А. Соловьев, 1983; Л.А. Жигарев, 1981 и другие.

Наличие некоторого числа имеющихся в литературе карт и схем, приведенных в работе и показывающих особенности распространения и свойства арктической подводной криолитозоны, не говорит о достаточной изученности этого объекта. Такие материалы подготовлены на основе лишь косвенных (геофизическое зондирование, моделирование и т.д.), а не прямых фактических данных. Анализ изученности прибрежно-шельфовой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского показывает, что в целом этот регион в отношении береговых криогенных процессов до сегодняшнего дня исследован недостаточно. Территория шельфа Восточной Сибири в геокриологическом отношении крайне слабо изучена. Фактические (буровые) данные о развитии толщ СМПП в области относительно глубоководных частей этого шельфа отсутствуют. Лишь один буровой профиль, мерзлотные данные которого пока что не опубликованы, может характеризовать малую часть этой области, расположенную к северо-западу от о-ва Бельковский (фонды Российско-германской экспедиции, 2000 г.). Вместе с тем геокриологическая и геоморфологическая изученность морских берегов Восточной Сибири резко возросла в последние 10 лет, в результате работ ежегодных российско-германских экспедиций, в рамках межправительственного проекта «Система моря Лаптевых».

Следует подчеркнуть, что процессы развития береговой зоны, динамика криогенного рельефа и особенности СММП изучены в море Лаптевых существенно лучше, чем в Восточно-Сибирском.

В главе 2 «Общие физико-географические и мерзлотно-геологические сведения об изучаемом регионе» приводится анализ данных обобщающих публикаций, посвященных изучению геолого-географических условий берегов и шельфа, а также мерзлотно-геоморфологических исследований автора. Рассмотрены основные морфометрические параметры берегов и шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, особенности речного стока и основные гидрометеорологические условия этого региона. Отмечается большая роль ветрового режима и ледовых условий в динамике берегов. Кратко охарактеризован температурный и солевой режим придонных вод, имеющий значительные сезонные вариации и зависимость от батиметрических параметров. Подчеркивается значительное опреснение морских вод, особенно в центральном и восточном секторах моря Лаптевых и широкое распространение отрицательно-температурных вод в придонном слое.

Проанализированы мерзлотно-геологические и геоморфологические параметры побережья и прилегающего шельфа. Мощность ММП на побережье составляет от 400 до 700 м (Пономарев, 1937, Григорьев, 1960, 1966). Фактической информации о мощности криолитозоны на прилегающем шельфе на настоящий момент нет. Главной отличительной особенностью изучаемой области является самое широкое, по сравнению с другими арктическими регионами, распространение в ее пределах льдистых толщ (ледовый комплекс), объемное содержание льда в которых может превышать 80 %. Берега, содержащие ледовый комплекс, занимают 37 % протяженности побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского и играют очень важную роль в формировании потоков терригенных наносов, уходящих на шельф. Имеется целый ряд концепций о происхождении ледового комплекса (Попов, 1953; Алексеев, 1970; Конищев, 1975; Лаврушин, 1963; Гравис, 1969, 1986; Томирдиаро, Черненький, 1987; Катасонов, 1963, 1973; Иванов, Катасонова, 1978; Куницкий, 1989). Автор придерживается мнения о полигенетическом генезисе ледового комплекса. Главная особенность отложений этого комплекса - наличие в них мощных повторно-жильных льдов, вертикальный размер которых достигает 50 м, а ширина - 7-8 м. Установлено, что льдистые толщи часто залегают ниже уровня моря.

Вдоль побережья арктического сектора Азии природная обстановка в плейстоцене и голоцене была крайне изменчива. В прибрежно-шельфовой зоне надежно устанавливаются следы нескольких регрессивно-трансгрессивных фаз. Они связываются с гляциоэвстатическими изменениями моря, уровень которого понижался 18-16 тыс. лет назад до изобат около 100 м, затем (11 тыс. лет назад) поднимался до изобаты 40 м и в середине голоцена достиг своего современного положения (Арэ, 1982). Уровень моря в послесартанскую трансгрессию поднимался со средней скоростью 9 м за 1 тыс. лет. Это вызвало отступание береговой линии в глубь суши со скоростью от 50 до 1200 м/год. После завершения подъема уровня моря за последние 5 тыс. лет полоса разрушенных термоабразией пород ледового комплекса могла достигать ширины 10-30, а местами 50 км (Арэ, 1980, 1983). Наиболее типичные скорости современного термоабразионного разрушения береговых уступов, сложенных льдистыми породами, по данным ряда авторов, составляют от 2 до 6 м/год (Хмызников, 1937; Н. Григорьев, 1966; Клюев, 1970; Сафьянов, 1978; Арэ, 1980).

Заключительная часть главы 2 содержит геологический очерк. Этот очерк базируется на изданных материалах (Никонов, 1977; Хаин, 1979; Геологическая..., 1978; Тектоническая..., 1979; Геологическая карта…, 1980; Геология.., 1981; Геология Якутской АССР, 1981; Геологическое строение, 1984; Структура..., 1985; Томирдиаро, Черненький, 1987; Гросвальд, Спектор, 1993; Имаев и др., 2000). Они излагаются автором с позиций проблем геоморфологического и геокриологического изучения территории прибрежно-шельфовой зоны Восточной Сибири.

В главе 3 «Методика исследований» рассматриваются методические подходы к изучению процессов криоморфогенеза, литодинамики и развития субаквальных многолетнемерзлых пород (СММП) в береговой зоне и на прибрежном шельфе исследуемых морей.

Динамика берегов и темпы протекания криогенных береговых процессов изучались путем экспедиционного мониторинга - оборудование реперами опытных площадок и береговых створов на ключевых участках для производства измерений и теодолитная съемка форм мерзлотного рельефа. Камеральный метод изучения динамики берегов основывался на анализе дистанционных материалов. Данные современных измерений по реперным сетям и теодолитных съемок накладывались на аэрофотоснимки (АФС) 1951-1986 гг. (масштаб от 1:25 000 до 1:70 000) для расчета многолетних линейных и площадных изменений исследуемых форм. Наибольшее внимание уделялось льдистым берегам как самому распространенному их типу на побережье и криогенным процессам, играющим главную роль в темпах трансформации береговой зоны. Оценка средних темпов отступания берегов осуществлялась на репрезентативных участках на основе экспедиционных наблюдений и измерений, а также привлечения дистанционных материалов. Определялись морфологические параметры берегов: абсолютные высоты береговых уступов и склонов, их крутизна, расчлененность и т.д. (рис. 3)

Изучение динамики низких аккумулятивных берегов оказалось сложной задачей из-за изменчивого режима сгонно-нагонных явлений и ежедневного перемещения береговых линий. В этом случае обычно использовались низкие (высотой 0,2-0,5 м) стабильные береговые уступы, которые фиксируются на АФС. При анализе дистанционных материалов, для оценки средней многолетней скорости изменения береговых форм, использовались современные ГИС-технологии и компьютерные программы (ENVI 3.1-3.4., ArcView-ArcInfo 8.1). Следует подчеркнуть, что метод дистанционного анализа изменения береговых линий иногда даже предпочтительней измерений на местности. При наличии необходимых картоматериалов, АФС и спутниковой информации, он позволяет оценить большие участки берегов, вплоть до всей береговой зоны моря. Однако есть и существенные минусы. Во-первых, необходимое количество дистанционных материалов хорошего качества для анализа динамики берегов трудно найти или слишком дорого приобрести. АФС до сих пор не покрывают всю береговую зону Российской Арктики. Их особенно недостаточно на район побережья Восточно-Сибирского моря. Во-вторых, разрешающая способность и качество карт и снимков часто не удовлетворяют требованию точной привязки к ним современных береговых линий и форм рельефа. В особенности это относится к берегам с малоактивной динамикой.

Рис. 3 Наложение данных современной теодолитной съемки на аэрофотоснимок 1969 г. Мыс Мамонтов Клык, море Лаптевых (слева); перенос контуров береговой линии и бровки термоабразионного и термоденудационного клифов с АФС 1981 г. на АФС 1951 г. Урочище Мамонтовый-Хаята, Быковский п-ов, залив Буор-Хая (справа)

Методика расчета потоков материала, поступающего на шельф из эродируемых берегов, базируется на определении и соотношении нескольких параметров, характеризующих динамику, литологию, геокриологическое строение и морфологию пределах каждого из выделенных береговых секторов исследуемых морей. К таким параметрам относятся: 1 - длина береговой секции (L, м, км); 2 -средняя высота берегового уступа или склона (H, м); 3 - средний темп эрозионного отступания берега (V, м/год); 4 - среднее объемное содержание льда в породе (W, %); 5 - средняя плотность пород (D, г/см³ - т/м³); 6 - среднее весовое содержание органического углерода в породах (C, %). Объем породы (N), поступающий в течение года из одного определенного берегового сегмента на шельф, рассчитывается по формуле: N = L * H * V.

Чтобы получить объем скелета породы (N_D), из общего объема породы, вычитается объем влаги или льда (W, %): N_D = N * (1-W).

Для установления массы эродируемого обломочного (минерального и органического) материала (M_S), высвобождаемого из берегового сегмента за год, объем пересчитывается в массу: M_S = N_D * D.

Расчет массы органического углерода (M_C), содержащегося в определенной ранее массе всего обломочного материала (M_S), производится по следующей формуле:

M_C = M_S * C(%).

Определение длины береговой линии выделенных сегментов выполнялось по результатам собственных инструментальных измерений на ключевых участках, по литературным данным, с помощью анализа крупномасштабных топографических карт и АФС, с учетом коэффициента извилистости береговой линии. Также использовались материалы мировых баз данных по батиметрии и берегам (IBCAO, GEBCO Coastline, World Vector Shoreline - векторная береговая линия мира). Средняя высота клифов или вершин береговых склонов так же определялась по результатам собственных измерений, литературным данным, топографическим картам и АФС. Для оценки состава береговых толщ были привлечены материалы, касающиеся геологического строения берегов исследуемого региона (в основном изученные разрезы и детальные карты по четвертичной геологии). Проводилось изучение состава береговых отложений с определением их плотности и объемной льдистости. Данные о среднем темпе эрозионного отступания или выдвижения берегов, а также о степени их стабильности были получены на более чем пятидесяти ключевых участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. На ряде участков, где береговые исследования не проводились, для определения динамических параметров берегов использовался метод аналогии с уже исследованными участками, исходя из идентичности их морфологических, литологических и геокриологических характеристик. Учитывались контуры берегов, степень мелководности прилегающего шельфа, гидродинамические особенности в прибрежной зоне и особенности ледового режима в районе описываемого берегового сектора. Среднее содержание льда в ММП было получено по многочисленным собственным и имеющимся опубликованным данным определений льдистости-влажности грунтов различных литологических и генетических типов. Средняя плотность пород была принята согласно нормативным документам ГОСТ и СНИП, а также взята из ряда литературных источников как для конкретных участков береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, так и по средним значениям для дисперсных пород (Арэ, 1998; Органическое вещество, 1990; Романкевич, Ветров, 2001, Stein, MacDonald, 2004 и др.). Среднее содержание органического углерода в породах было взято из литературных источников, а также определялось по образцам, отобранным на 21-м береговом участке.

В первую фазу составления береговой базы данных проводилась сегментация берегов, т.е. разделение берегов на определенные участки, характеризующиеся определенным набором параметров, достаточно типичных именно для данного берегового сектора и отличающихся по комплексу этих параметров от соседнего. Основные принципы выделения берегового сегмента: 1) примерно одинаковый динамический режим в пределах берегового отрезка; 2) сходное литологическое строение на большей части сегмента; 3) сравнимый диапазон абсолютных высот преобладающего числа клифов и береговых склонов; 4) примерно одинаковое геокриологическое строение на преобладающей части сегмента (прежде всего льдистость пород). Выделенные береговые сегменты представлены на прилагаемых схемах (рис. 4).

Для оценки средних многолетних скоростей изменения береговых линий, объемов эродируемого материала, поступающего на шельф, и других параметров береговой зоны сформирована база данных берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского на основе электронной карты прибрежно-шельфовой зоны этих морей. В ее состав включены следующие основные слои: береговая линия, береговые сегменты и собственно информационный блок, состоящий из 18 параметров. К ним относятся: 1 - название моря; 2 - номер берегового сегмента (с запада на восток); 3 - местоположение сектора, географическая привязка крайних точек сегмента; 4 - географические координаты крайних точек сегмента; 5 - основные береговые формы рельефа; 6 - преобладающие типы динамического развития берегов; 7 - преобладающие литологические типы пород, слагающих берега; 8 - среднее расстояние от береговой линии до изобат (м): 2, 5, 10, 100 м; 9 - длина береговой линии секции (км); 10 - средняя высота бровок береговых уступов или береговых склонов (м); 11 - средний темп перемещения береговой линии (м/год); 12 - среднее объемное содержание льда в породах, слагающих берега (%). 13 - средняя плотность сухого скелета пород, слагающих берега (г/см³ - т/м³); 14 - масса обломочного материала, выносимого из разрушаемых берегов на шельф за один год (т/год); 15 - среднее весовое содержание органического углерода в береговом обломочном материале (%); 16 - масса органического углерода, выносимая из разрушаемых берегов на шельф за один год (т/год); 17 - краткая информация по специфическим ключевым участкам; 18 - иллюстративный материал по ключевым участкам;

Заключительный раздел информационного блока базы данных включает средние значения приведенных выше количественных параметров береговой зоны для каждого из исследуемых морей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Сегментация берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского (для формирования береговой базы данных)

Изучение субаквальных многолетнемерзлых пород проводится по данным их бурения и геофизического зондирования, а также путем моделирования прибрежно-шельфовой части криолитозоны.

Буровые работы - самый надежный источник информации о СММП. Преобладающая часть этих данных получена путем бурения с морского льда в весенний период. Максимальное расстояние от суши до морских скважин не превышает первые десятки километров (проливы Дм. Лаптева и Санникова). Профили, как правило, располагались по нормали к берегу и начинались от береговой зоны. Для проведения бурения со льда обычно организовывались санно-тракторные поезда. В процессе бурения со льда скважины обсаживались. Обсадка перекрывала лед, воду и талые донные осадки для защиты керна от контакта с морской водой. Диаметр бурового снаряда составлял от 56 до 160 мм. Для изучения развития СММП и криопэгов в зоне лежащего на грунте припайного льда, в интервале глубин моря до 2-х метров, проводилось бурение по серии неглубоких профилей. При бурении и последующей аналитической обработке материала применялись следующие методы исследований:1) измерение температуры воды и горных пород; 2) отбор проб воды и грунта; 3) детальное описание керна; 4) изучение солевого состава проб; 5) определение теплофизических свойств грунта; 6) определение влажности-льдистости отложений; 7) определение абсолютного возраста отложений; 8) гранулометрический и минералогический анализы.

Имеющиеся данные по морю Лаптевых, полученные методами геофизического зондирования, принадлежат в основном к относительно глубоководной части шельфа. Анализ этих материалов выявляет в донных осадках рефлекторы (отражающие горизонты/поверхности) похожие по морфологии и геофизическим свойствам на кровлю СММП (Rachor, 1999; Schwenk et al., 2005; Рекант и др., 1999, 2001; Rekant, 2002, Drachev et al., 2002 и др.). Наши работы на мелководных участках шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского проводились с использованием геофизического оборудования (Echo Sounder - Geoacoustics GeoChirp 6100A). Участки работ располагались у восточной окраины дельты Лены, вблизи Быковского п-ова, у западного побережья п-ова Буор-Хая, в Ванькиной губе и в проливе Дм. Лаптева. В пределах этих участков обнаружить с помощью имеющейся аппаратуры достаточно четкий рефлектор, идентифицирующий положение кровли СММП, не удалось. Однако сейсмоакустическое профилирование позволило получить некоторые данные об особенностях деградации льдистых СММП. Например, на сейсмограммах в проливе Дм. Лаптевых были установлены границы, идентифицируемые как остатки ледового комплекса, избирательно протаивавшего по мощным повторно-жильным льдам (рис. 5).

Рис. 5 Сейсмоакустический профиль дна пролива Дм. Лаптева. Слева вид берегового рельефа с байджарахами в области развития ледового комплекса на побережье Восточно-Сибирского моря (Are et al., 2000)

Моделирование прибрежно-шельфовой криолитозоны применялось для рационального расположения буровых скважин и геофизических профилей. Использовались в основном имеющиеся модели субаквальной криолитозоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, созданные рядом исследователей (Соловьев, 1981, 1983; Жигарев, 1981, Фартышев, 1993, Romanovskii et al., 1998, 2000, 2001, 2003; Hubberten, Romanovskii, 2001, 2003).

В главе 4 «Криоморфогенез береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского» рассматриваются экзогенные береговые процессы. Среди них различаются эоловые и биогенные, гравитационные и хемогенные, а также техногенные и некоторые другие процессы. Все они условно противопоставляются криогенным процессам. Комплекс криогенных процессов включает в себя криогенное выветривание, морозное пучение, морозную сортировку материала, криогенный крип, нивацию, морозобойное трещинообразование, криогенную солифлюкцию, термическую денудацию, термоабразию и термосуффозию, термический карст, боковую, донную и регрессивную термоэрозию. Совокупность этих процессов понимается как криоморфогенез. В данной главе основное внимание уделяется особенностям проявления криоморфогенеза в прибрежно-шельфовой зоне Восточной Сибири. Самыми распространенными и активными криогенными процессами в этой зоне являются термоабразия, термоденудация и солифлюкция. Термоабразия здесь обычно протекает в 3-4 раза интенсивнее, чем собственно абразия (Арэ, 1980). Скорость термоабразии берегов моря Лаптевых и берегов Восточно-Сибирского моря местами достигает 20 м/год.

Изучение динамики берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского проводилось нами в течение почти 25 лет (1982-2007 гг.) на более чем 50 ключевых участках.