CC BY
6
УДК 551.343 DOI: 10.24412/1816-1863-2023-3-11-17 ^
ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ РИСКОВ |
СТИХИЙНОЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ МИГРАЦИИ Я
КАМЕННЫХ ГЛЕТЧЕРОВ НА СЕВЕРНЫХ СКЛОНАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО КАВКАЗА
Р. О. Калов, д-р геогр. наук, ст. науч. сотрудник, Отдел экологических исследований, ФГБУ«Высокогорный геофизический институт», [email protected], г. Нальчик, Россия, Р. С. Эльмурзаев, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А. А. Кадырова», [email protected], г. Грозный, Россия
Предметом исследования настоящей статьи является специфика трансформации горной крио-сферы в условиях текущей фазы быстрого потепления климата. Основное внимание в работе уделено современным факторам, влияющим на характер деградации мерзлотных толщ и изменения скоростей их гравитационной миграции. Рассмотрено соотношение между подземным и поверхностным стоками в пределах горной криосферы, освещена водообменная роль деятельной мерзлотной толщи и ее изменений на масштабы и направленность водообмена. Выявлены новые водообменные свойства криосферы, существенно расширяющие географию перемещения оттаявших отложений и усиливающие риски слабо предсказуемых разрушительных стихийных явлений.
The subject of the study of this article is the specifics of the transformation of the mountain cryosphere under the conditions of the current phase of rapid climate warming. The main attention in the work is paid to modern factors influencing the nature of degradation of permafrost strata and changes in the speed of their gravitational migration. The relationship between underground and surface runoff within the mountain cryosphere is considered, the water exchange role of the active permafrost layer and its changes on the scale and direction of water exchange is highlighted. New water exchange properties of the cryosphere have been identified, significantly expanding the geography of movement of thawed sediments and increasing the risks of poorly predictable destructive natural phenomena.
Ключевые слова: мерзлотная толща, деградация криосферы, каменный глетчер, направленность водообмена, гравитационное перемещение.
Keywords: permafrost layer, cryosphere degradation, rock glacier, direction of water exchange, gravitational movement.
Введение
Интенсивная деградация криосферы северных склонов Центрального Кавказа в последние десятилетия и сохраняющиеся неблагоприятные прогнозы являются достаточным основанием для проведения дополнительных гляциологических и геокриологических исследований. В первую очередь, они должны быть нацелены на повышение уровня достоверности механизма современного функционирования всего комплекса горной криосферы.
Географическая среда северного склона Центрального Кавказа остается сверхкрупным по масштабам хранилищем льдисто-каменных отложений с весьма динамичной открытой природной системой. В этом неравновесном комплексе возникает устойчивое состояние перехода кинетической энергии движущейся мерзлотной массы в тепловую энергию.
Функционирование нивально-гляци-альных комплексов и их динамика в целом подчинены характеру высотной зональности географических комплексов и специфике изменений климата региона. Признаками интенсификации динамики горной криолитозоны является выраженный рост числа и масштабности опасных природных процессов [1].
В первом приближении деформация криосферы обусловлена возрастанием поступления воды в данную зону на фоне потепления климата и связанным с этим снижением эффективного напряжения в мерзлотных отложениях. В этих условиях достоверная оценка уровня современных угроз трансформации горной криосферы возможна только на основе мониторинга эволюции орографических свойств конкретных склонов и локальных климатических особенностей применительно к потенциальным очагам опасного схода
11
льдисто-каменных масс. Характер таяния х снега и режим выпадения жидких атмос-о ферных осадков могут объяснить сезон-о ные и кратко- и среднесрочные колебания в скоростях гравитационной м играции каменных глетчеров.
Целью исследования является анализ современной динамики каменных глетчеров северного склона Центрального Кавказа и связанного с ними повышения рисков интенсификации опасных склоновых процессов в условиях изменения климата. В процессе подготовки статьи решались следующие задачи:
— изучить характер изменений климата в высокогорной части изучаемой территории за последние десятилетия;
— выявить нынешнее состояние и особенности д инамики каменных глетчеров на северном склоне Центрального Кавказа.
Материалы и методы исследования
Оценка современной д инамики горной криосферы произведена по результатам обработки материалов полевых инженерно-гидрометеорологических изысканий Высокогорного геофизического института. В качестве климатических источников информации использовались материалы наблюдений на м етеостанциях «Чегет» (3040 м), «Пик Терскол» (3150 м). Автор также опирался и на материалы Эльбрус-ской учебно-научной базы (2330 м) географического факультета МГУ. В процессе исследования использованы методы полевых исследований, мониторинга оползневой деятельности анализа разновременных космических снимков, приуроченных к эпицентрам активных оползневых процессов.
Результаты и обсуждение
В Кабардино-Балкарии зафиксированы около 400 очагов каменных глетчеров с повышенным риском схода. Большая их часть приурочена к северным склонам Передового, Бокового и Главного хребтов в интервале высот 3000—3600 м. Преимущественно они представлены присклоно-выми и покровными видами каменных глетчеров. Наиболее высокая концентрация последних наблюдается на отрогах Бокового хребта. Самый крупный из них носит название Донисар, площадь которого составляет 1,5 км2 при общей длине 2875 м [2].
Горная криосфера исследуемой территории представлена многолетнемерзлыми грунтами с разной степенью льдистости и энергетикой их гравитационного перемещения. При этом доля и свойства льда варьируют в соответствии с изменениями мерзлотных условий. Уровень льдистости склонов обусловлен балансом расхода и прихода влаги в грунты за определенный период времени. Анализ баланса влаги свидетельствует о том, что наблюдается некоторый сдвиг в режиме выпадения атмосферных осадков в сторону их увеличения на 8—12 % при сохранении тренда на потепление климата [3]. В таблице 1 сопоставлены усредненные по высотным интервалам значения термических трендов как в теплый и холодный периоды, так и в среднегодовом их исчислении.
В графах 3, 5, 7 таблицы 1 приведена кратность превышения над значением тренда на высотах более 3 тыс. м. Так, в высокогорье показатели термического тренда зимнего периода года минимальны в сравнении со значениями других интер-
Таблица 1
Усредненные значения термического тренда воздуха в разрезе высотных интервалов
Центрального Кавказа
12
Абсолютный высотный интервал, м Среднее термическое значение тренда, °С/год, за период
ноябрь—март А июнь—август А в среднем за год А
1 2 3 4 5 6 7
<500 500—1000 1001—2000 2001—3000 >3001 0,0387 0,0478 0,0283 0,0106 0,0053 7,3 9,0 5,3 2,0 0,0190 0,0197 0,0153 0,0208 0,0217 0,9 0,9 0,7 1,0 0,0277 0,0317 0,0198 0,0127 0,0107 2,6 2,9 1,8 1,2
валов. К примеру, с ноября по март значения термического тренда на высотах более 3 тыс. м в девять раз меньше по сравнению с показателем тренда в интервале 500—1000 м. На тех же высотах угловой коэффициент термического тренда в зимнее время в четыре раза меньше его показателей за летний период и в два раза ниже среднегодового термического тренда.
В состоянии покоя среднестатистическая скорость миграции каменных глетчеров на исследуемой территории составляет 0,5 м в год. Однако в последние десятилетия наблюдается устойчивое возрастание скоростей их движения и случаев спонтанного развития склоновых процессов. При этом изменения интенсивности д еформирования каменных глетчеров происходят в разрезе многолетних, межгодовых, сезонных и суточных временных промежутков. Так, если среднегодовое сползание крупного глетчера Та-шорук в Баксанском ущелье во второй половине ХХ века оценивалось в 1 м, то в последние два десятилетия сдвиговая деформация достигла 3,6 м. Возрастание скорости его гравитационной миграции мы связываем с локализацией данного очага в экотонной зоне высокогорного нивально-гляциального комплекса, где градиенты природных факторов достигают своих критических значений [3].
В отдельных случаях за промежутки времени в несколько часов глетчеры могут демонстрировать скачкообразное движение. Условия для взрывной миграции льдисто-каменных масс складываются тогда, когда в дополнение к процессам уменьшения эффективного напряжения, снижения сопротивления сдвигу и потенциального увеличения деформирования глетчера происходит перенос тепла с водой, проникающей путем инфильтрации на значительные глубины многолетней мерзлоты.
В неаридных высотных поясах интенсивность выпадения осадков и снеготаяния в годовом и многолетнем промежутках времени достаточно однородна, чтобы вызывать значимые изменения скоростей каменных глетчеров. В подобных зонах доминируют иные причины динамики мерзлотных грунтов, которые больше связаны с изменениями климата. Речь в первую очередь идет о поступлении талой воды в зоны сдвига льдисто-каменных толщ.
Сезонные потепления на скорость деформирования каменных глетчеров сказываются несущественно, поскольку температура грунтов рядом с зоной их сдвига уже близка к 0 °С. Зимнее похолодание только косвенно влияет на длительность периода поступления воды в мерзлотные толщи, то есть число дней, в течение которых деятельный слой является не полностью промерзшим. Индикатором подобного состояния грунта являются либо положительные термические его показатели, либо наличие нулевой завесы, которая указывает на присутствие воды в жидкой фазе. Этот период ограничивается началом снеготаяния весной и сворачиванием состояния осенней нулевой завесы в начале зимы. В различные годы продолжительность периода поступления воды в мерзлотные отложения может варьировать до четырех месяцев. Колебания длительности обозначенного промежутка времени находятся в прямой зависимости со скоростью деформирования каменных глетчеров, в частности, с характером зимнего замедления их динамики [4].
Межгодовые вариации д аты окончания осенней нулевой завесы зависят от уровня снежного покрова в начале зимы. Незначительный слой снега в этот период приводит к ускоренной потере тепла и, следовательно, скоротечному промерзанию деятельного слоя. И наоборот, мощный снежный покров сильно предохраняет мерзлотные отложения от промерзания. Сохранение тренда на потепление климата в длительной перспективе сдвинет дату исчезновения осенней нулевой завесы в деятельном слое грунта на более поздний срок. Дата начала снеготаяния весной тесно связана с характером погодных условий конкретных годов, в частности, интенсивностью солнечного излучения, динамикой термического режима, уровнем загрязненности снежно-ледяной поверхности и т. д.
Обозначенные факторы формируют поверхностный сток, который берет начало в верхних частях склонов, откуда вода стекает вниз поверх массива многолетне-мерзлого грунта и, как правило, не достигает зон сдвига каменных глетчеров. Подземный же сток почти всегда д остигает горизонта сдвига и обуславливает скорость движения мерзлотных отложений. Соотношение между поверхностным и базис-
О)
о
О -1
13
О
14
Рис. 1. Кармадонское ущелье после схода грязе-ледово-каменного потока (сентябрь 2002 г.)
ным стоками может корректироваться в связи с дальнейшей трансформацией дренирующих систем в толще многолетне-мерзлого грунта. Следствием данного процесса с высокой долей вероятности станет нарастание скорости гравитационного перемещения мерзлотных масс. В долгосрочной перспективе общая водопроницаемость глетчеров может и далее возрастать в связи с некоторым ростом температуры многолетней мерзлоты и формированием устойчивой системы дренирования [5].
В ряде случаев деформация и сдвиг каменных глетчеров связано не с катастрофическим перемещением грунта, а со спонтанным увеличением скорости движения всего тела каменного глетчера или отдельных его крупных частей. Аналогичные природные процессы чаще приурочены к поверхностям со средним уровнем наклона в 30°. Однако большинство подобных природных явлений остаются вне поля зрения исследователей, так как происходят в морфологически изолированных элементах горных стран.
Крупномасштабные сходы сопровождаются развитием поперечных трещин растяжения или горизонтов сдвига. Трещино-ватость и пористость мерзлотной толщи, значительная водообменная функция горной криосферы связаны с переходами подземных вод в твердую фазу и обратно,
повышая ее фильтрационные свойства. При этом криогенная деструкция особенно интенсивна в верхних слоях мерзлотных толщ. Процесс температурной д ефор-мации мерзлых грунтов в динамическом градиентном термическом поле обуславливает постепенное растрескивание горных пород. В результате формируется специфический полигонально - локализован -ный вид стока и питания надмерзлотных вод деятельного слоя, что создает благоприятные условия для их обмена с поверхностными водами.
В средних и нижних уровнях толщи криосферы тоже фиксируются процессы криогенной деструкции пород, но обуславливают возникновение районов вторичной трещиноватости мерзлотных отложений. Сезонная пульсация нижней границы криосферы приводит к формированию сильнообводненных участков на стыке мерзлотных и талых грунтов, способствующих интенсификации водообмена в гидрогеологических структурах мерзлотной толщи и установлению тесной взаимосвязи подмерзлотных вод с поверхностными водами.
По такой схеме, предположительно, назревал катастрофический 11-километровый сход грязе-ледово-каменного потока в Кармадонском ущелье в 2002 году (рис. 1).
В результате внезапной стихии был погребен пос. Нижний Кармадон, погибли 126 туристов и горных жителей. Достоверной научной реконструкции схода Колки на настоящее время не существует, однако, нет сомнения в том, что климатически обусловленная трансформация криосферы и указанная гляциальная катастрофа являются звеньями одной цепи.
Кроме процессов протаивания — промерзания каменных глетчеров, в некоторых межгорных депрессиях высокогорных гидрогеологических массивов Центрального Кавказа определенную роль в водо-обменном механизме криосферы играют также и другие фазовые переходы воды. Речь идет об активизации процессов конденсации, испарения и десублимации в горной криосфере. Так, в подмерзлотной толще интенсивно протекают процессы абляционного льдообразования, которые развиваются тогда, когда уровень безнапорных подземных вод расположен ниже подошвы толщи многолетней мерзлоты.
При синхронном назревании совокупности вышеизложенных взаимосвязей гравитационная динамика глетчера может приобрести нарастающее ускорение. Вхождение крупномасштабного глетчера в узкое ущелье неизбежно обусловит взрывное его сжатие, что приведет к разрыву каменного глетчера или обрушению его фронтального уступа с последующим сходом каменно-ледяных лавин. Примерами таких сходов являются обрушения наиболее чувствительных средне-, верхнечетвертичных делювиально-колювиальных глыбово-щебнистых отложений в верховьях рек Черек Балкарский и Черек Ху-ламский.
В условиях текущего потепления климата даже в каменных глетчерах со среднегодовыми температурами ниже минус 1 °С возможен постепенный рост температуры грунта. Следовательно, температура льдисто-каменных отложений постепенно может подняться до 0 °С, в связи с чем их водопроницаемость и трещиноватость неизбежно возрастет [6].
Дальнейшее развитие получат и сети дренирования, которые приведут к активизации инфильтрации воды в зоне горизонта сдвига и спровоцируют новый рост скорости движения каменно-ледя-ных м асс. При приуроченности последних к крутым склонам вероятны локальные обрушения на фронтальных откосах.
Увеличивает вероятность схода глетчеров в зонах сдвига рост общей гидропро-водности, обусловленный уменьшением доли льда в мерзлотных отложениях при одновременном росте их насыщенности водой. Такая ситуация, к примеру, складывается на склонах с льдисто-глыбово-щебнистыми отложениями с температурой равной или близкой к 0 °С в Черек-ском ущелье, где заметно участились спонтанные обрушения.
Сохранение тренда на потепление климата, вероятно, удлинит и период года, в течение которого будет продолжаться поступление воды в жидкой фазе в каменные глетчеры. Следовательно, выраженность зимнего замедления перемещений воды ослабнет, что обусловит удлинение продолжительности процесса деформации глетчеров в пределах календарного года. Появление же в режиме осадков аномально интенсивных дождей в высокогорной зоне вызовут синхронные ускорения
о>
о
О -1
Условные обозначения:
1 — маршрут движения 4 — ледники сели 5 — гоные хребты
2 — реки 6 — городские кварталы
3 — приледниковые озера г. Тырнауз
Рис. 2. Маршрут прохождения сели в долине Герхожан-Су в 2000 г. (по Докукину М. Д.)
деформаций каменных глетчеров в летнее время. Так, аномальный ливень 1 сентября 2017 г. привел к прорыву мерзлотной плотины приледникового оз. Башкара в верховьях ущелья Адыл-Су.
Изменение структуры и физических свойств каменно-ледовых масс резко повышает вероятность формирования в их фронтах селей. Так, летом 2000 г. с верховьев долины Герхожан-Су сошла катастрофическая сель с коренной перестройкой литодинамических зон (рис. 2).
Объем выноса твердого материала обозначенной сели оценивается нами в 3,1 млн м3, что явилось самым разрушительным более чем за 70-летний период наблюдений.
Применительно к рассматриваемой территории особую опасность могут представлять прорывы плотин подпрудных карстовых озер, которых в нивально-гля-циальной зоне немало. Так, избыточное увлажнение м ерзлотной плотины оз. Башкара дождевой водой 30—31 августа общим слоем в 100 мм привело к спонтанному сходу водо-грязевого потока объемом в 1,1 млн м3. В результате катастро-
15
О
16
фического схода разрушено семь крупных участков федеральной дороги, существенно поврежден газопровод. Подобных озер только в национальном парке «Приэль-брусье» в пределах высот от 2800 до 3400 м сосред оточено более д есятка с риском прорыва мерзлотных плотин [2].
С высокой степенью вероятности можно прогнозировать смещение фазовой границы «мерзлотные толщи — подземные воды» вверх, дальнейшее уменьшение гидростатического давления в подмерз-лотной зоне. Следствием такого смещения станет формирование существенных по размеру депрессий пьезометрического уровня в подмерзлотных водоносных толщах, что усилит горизонтальную фильтрацию подземных вод, а также рост инфиль-трационного питания за счет поверхностных вод по сквозным таликовым зонам [6]. При этом интенсивный водообмен в таликовых зонах предохранит последних от промерзания даже в зимнее время. Следовательно, устойчивость льдисто-каменных поверхностей на горных склонах снизится с возрастанием опасности их гравитационного смещения.
В то же время в средне- и долгосрочной перспективе применительно к отдельным очагам мерзлотных толщ возможна потеря избытка льда в глетчерах, в силу чего пластическое деформирование может локализоваться, застопорив их дальнейшее гравитационное движение, обеспечив сглаживание их фронтальных откосов. Подобные каменные глетчеры, в конечном счете, перейдут из активного состояния в пассивное, отложения задернуются и сформируются элементы реликтового состояния. Однако установить временные рамки такого развития событий не представляется возможным. Данный процесс может растянуться до ста и более лет даже в случае устойчивого развертывания и впредь условно принятого тренда на глобальное потепление климата.
Выводы
Главная тенденция современного эволюционирования криогенной сферы северного склона Центрального Кавказа связана с происходящими с различной скоростью и в различных объемах гравитационными перемещениями оттаявших отложений. Физические свойства крио-
генных текстур варьируют от вялых деформаций льдисто-обломочных толщ до обширных разрушений скальных склонов с возникновением стихийных обвалов, селей, камнепадов, потоков обломочного материала. В структуре сходов пластичных мерзлотных пород крупновалунный материал составляет не менее половины гранулометрического их состава. Факторами, определяющими скорость современного движения каменных глетчеров на изучаемой территории, являются:
— высота местности и экспозиция склонов, обуславливающие сезонную и суточную интенсивность деформирования каменных глетчеров;
— характер тектоники, от которого в большой степени зависит податливость монолитных горных пород процессам разрушения;
— литология пород как субстракт, которой обусловлены характер и объем льдисто-каменных масс;
— особенности микроклимата локальных нивально-гляциальных комплексов, в частности, динамико-термического режима и длительность периода поступления воды в грунты;
— крутизна поверхностей склонов, от которой зависит частота и масштабы спонтанных сходов.
Изложенные факторы являются доминирующими в повышении рисков стихийной гравитационной миграции каменных глетчеров, но не отражают всей взаимообусловленности причинно-следственных связей. В подтверждение данного тезиса в статье приведены примеры неединичных случаев опасных склоновых процессов, проявившиеся в самых различных сочетаниях. Они приурочены к периодам экстремально теплых и влажных отрезков времени, в которых происходят наложения одних склоновых процессов на другие их виды. При синхронном назревании совокупностей природных факторов, гравитационная динамика каменных глетчеров может приобрести катастрофическое ускорение. В этих условиях необходимы дополнительные геокриологические и гляциологические исследования, которые позволят заблаговременно спрогнозировать назревающие природные кризисы, а значит создать эффективные системы защиты горной инфраструктуры от опасных склоновых процессов.
Библиографический список
к
1. Горбунов А. П., Горбунова И. А. География каменных глетчеров мира. — М.: Товарищество на- о учных изданий КМК. — 2010. — 131 с. о
2. Володичева Н. А., Лабутина И. А. Каменные глетчеры Приэльбрусья // Материалы гляциологи- и ческих исследований. — 1996. — Вып. 80. — С. 98—102. я
3. Докукин М. Д. Каменные глетчеры Центрального Кавказа как селевые очаги: Труды Высокогорного геофизического института. — М.: Гидрометиздат. — 1987. — Вып. 70. — С. 33—42.
4. Плюснин В. М. Реакция внутриконтинентальных горных систем на глобальные изменения климата // География и природные ресурсы. — 2007. — № 3. — С. 67—74.
5. Сейнова И. В., Мазенина Т. Н. Каменные глетчеры — очаги зарождения сели в бассейне р. Чегем // Материалы гляциологических исследований. — 1987. — № 60. — С. 179—183.
6. Шепелев В. В. Надмерзлотные воды криолитозоны. — Новосибирск: ак. изд-во «Гео», 2011. — 169 с.
FACTORS OF ROCK GLACCIERS NATURAL GRAVITY MIGRATION INCREASING RISKS ON THE NORTHERN SLOPE OF THE CENTRAL CAUCASUS
R. O. Kalov, Dr. Habil. (Geography), senior scientist, FSBI "High Mountain Geophysical Institute", [email protected], Nalchik, Russia,
R. S. Elmurzaev, senior lecturer, FSBEI of Higher Education "Chechen State University named after. A. A. Kadyrov", [email protected], Grozny, Russia
References
1. Gorbunov A. P., Gorbunova I. A. Geograflya kamennyh gletcherov mira [Geography of rock glaciers of the world]. — M.: Partnership of Scientific Publications KMK. 2010. 131 p. [In Russian].
2. Volodicheva N. A., Labutina I. A. Kamennye gletchery Priel'brus'ya [Rock glaciers of the Elbrus region.]. Materials of glaciological research. 1996. Р. 98—102 [In Russian].
3. Dokukin M. D. Kamennye gletchery Central'nogo Kavkaza kak selevye ochagi [Rock glaciers of the Central Caucasus as mudflow sources]. Proceedings of the High Mountain Geophysical Institute. Moscow: Gid-rometizdat. 1987. Р. 33—42 [In Russian].
4. Plyusnin V. M. Reakciya vnutrikontinental'nyh gornyh sistem na global'nye izmeneniya klimata [Response of inland mountain systems to global climate change]. Geography and natural resources. 2007. № 3. Р. 67—74 [In Russian].
5. Sejnova I. V., Mazenina T. N. Kamennye gletchery — ochagi zarozhdeniya seli v bassejne. R. Chegem [Rock glaciers are the origin of mudflows in the basin. Chegem river]. Materials of glaciological research. 1987. № 60. Р. 179—183 [In Russian].
6. Shepelev V. V. Nadmerzlotnye vody kriolitozony [Suprapermafrost waters of the permafrost zone]. Novosibirsk: academic publishing house "Geo". Novosibirsk: aka. Izd. "Geo". 2011. 169 р. [In Russian].
17
