CC BY
90
УДК 551.435.522:551.583.13(528.42)
БО!: 10.24411/1728-323Х-2018-14115
ИЗМЕНЕНИЕ РЕЛЬЕФА ТОРФЯНИКА С ВЫТАИВАЮЩИМ ПОЛИГОНАЛЬНО-ЖИЛЬНЫМ ЛЬДОМ В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ПУР-ТАЗОВСКОГО МЕЖДУРЕЧЬЯ
Е. М. Бабкин, младший научный сотрудник,
Институт криосферы Земли Тюменского
научного центра Сибирского отделения
Российской академии наук
(ИКЗ ТюмНЦ СО РАН), г. Тюмень, Россия,
zbbkin@rambler.ru,
А. В. Хомутов, кандидат
геолого-минералогических наук, ведущий
научный сотрудник, Институт криосферы
Земли Тюменского научного центра Сибирского
отделения Российской академии наук
(ИКЗ ТюмНЦ СО РАН), старший научный
сотрудник, Тюменский государственный
университет (ТюмГУ), г. Тюмень, Россия,
akhomutov@gmail.com,
Ю. А. Дворников, кандидат
геолого-минералогических наук, научный
сотрудник, ydvornikow@gmail.com,
Р. Р. Хайруллин, аспирант, rustam93-93@bk.ru,
Е. А. Бабкина, младший научный сотрудник,
ea-pereval@mail.ru,
Институт криосферы Земли Тюменского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (ИКЗ ТюмНЦ СО РАН), г. Тюмень, Россия
В последнее десятилетие в связи с климатическими колебаниями в Арктике, в том числе и на южном пределе сплошного распространения многолетнемер-злых пород в Западной Сибири, наблюдается активизация целого ряда криогенных процессов. В условиях наличия полигонально-жильных льдов отмечается активизация процессов, связанных с вытаиванием этих льдов. В северной части Пур-Тазовского междуречья в районе с. Газ-Сале на основе инструментального мониторинга проводится оценка изменения рельефа торфяника, расположенного на сниженной поверхности хасырея, с вытаивающим полигонально-жильным льдом под влиянием естественных криогенных процессов, запущенных совместным действием техногенных факторов и климатических колебаний. Представлены первые результаты на основе данных полевых исследований 2016 и 2017 гг. на участке с деградирующим полигонально-жильным льдом без непосредственного воздействия проходящей через торфяник насыпи дороги. Сравнение полученных цифровых моделей рельефа показало значительное углубление оврагов на месте межполигональных понижений до 87 см за год. Выявлено уменьшение площади полигонов в среднем на 4,3 %. Так как существующие материалы позволяют выявить связь между климатическими изменениями в голоцене и изменениями торфяников, дальнейший подробный мониторинг торфяника с изучением теплового влияния автодороги в сочетании с данными о криолитологичес-ком строении, а также в сравнении с подобными торфяниками без какого-либо техногенного влияния, позволит более четко представлять направление
Введение. В последнее десятилетие в Арктике, в том числе и на южном пределе сплошного распространения многолет-немерзлых пород в Западной Сибири, наблюдается активизация целого ряда криогенных процессов. В условиях наличия подземных жильных льдов отмечается активизация процессов, связанных с вытаиванием этих льдов.
В районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) широко развит полигональный рельеф, который формируется системой морозобойных трещин с образованием полигонально-жильных льдов (ПЖЛ) [1]. Развитие рельефа торфяников с ПЖЛ определяется в основном процессами термокарста и термоэрозии, входящими в комплекс процессов, способствующих деградации ММП и возникновению сопутствующих ей проявлений [2].
В последние годы изучение торфяников и миграционных бугров пучения велось в Большеземельской тундре [3] и в Западной Сибири (Россия) [4—6]. Проводится оценка деградации ПЖЛ в районах вечной мерзлоты Аляски, Канады, Сибири с помощью методов дистанционного зондирования с использованием полевых данных о глубине и ширине ледяных жил, температуре пород, чтобы оценить объем ПЖЛ и гидрологические изменения ландшафтов [7, 8].
Климат севера Западной Сибири, начиная с 2012 г., периодически характеризуется аномальными значениями темпе -ратуры воздуха, что не может не сказываться на изменении глубины протаивания и активизации криогенных процессов. Теплый сезон 2016 г. был особенно жарким в северных райо-
и темпы эволюции рельефа криолитозоны в этом секторе южного предела распространения многолетнемерзлых пород Западной Сибири.
The last decade is notable by the activation of a number of cryogenic processes due to climatic fluctuations in the Arctic, including the southerly border of continuous permafrost coverage in Western Siberia. In the presence of polygonal-wedge ice, the activation of processes related to melting of them is noted. In the northern part of the Pur-Taz interfluve, in the vicinity of the village of Gaz-Sale the work is held to assess (based on instrumental monitoring) relief changes of the peat plateau which is situated on a reduced surface of a khasyrei and contains melting of polygonal-wedge ice under the influence of natural cryogenic processes triggered by joint action of technogenic factors and climatic fluctuations. On the basis of the field research data of 2016—2017 the first results are presented for the surface of a peat plateau with degrading polygonal-wedge ice on the site without direct impact on mound of the road passing through the peat plateau. A comparison of obtained digital elevation models revealed a significant deepening of gullies up to 87 cm per year at the sites of inter-polygonal depressions. The decrease of polygon area by 4.3 % on average was found. Since the existing materials give the opportunity to identify the relationship between climatic changes in the Holocene and transformation of peat plateaus, further detailed monitoring of the peat plateau with the study of the automobile road's thermal effect in combination with the data of cry-olithological structure, as well as the comparison to similar peat plateaus that have not experienced any technogenic impact, will allow us to get a clearer idea of direction and rates of cryolithozone relief evolution in this sector of the southerly border of permafrost coverage in Western Siberia.
Ключевые слова: торфяник, полигонально-жильный лед, цифровая модель рельефа, Пур-Тазовское междуречье, криоли-тозона, климатические колебания.
Keywords: peat plateau, polygonal-wedge ice, digital elevation model, the Pur-Taz inter-fluve, cryolithozone, climatic fluctuations.
нах Западной Сибири [9]. Поэтому изучение участков с вытаивающим ПЖЛ является актуальным в настоящее время с позиций влияния климатических колебаний.
Цель работы — оценка изменения рельефа торфяника с вытаивающим ПЖЛ под влиянием естественных криогенных процессов (термокарст, термоэрозия, термоденудация), запущенных совместным действием техногенных факторов и климатических колебаний на основе инструментального мониторинга.
Район исследования. Участок изучаемого торфяника расположен в северной части Пур-Тазовского междуречья западнее с. Газ-Сале (рис. 1) на сниженной поверхности хасырея с абсолютными отметками 6—9 м.
Для района исследования по данным многолетних наблюдений характерен суровый климат со среднегодовой температурой воздуха —8,7 °С (за период 1955—2011 гг. [10]), в зимний период характерны обильные снегопады с метелями и оттепелями, сменяющими периоды низких температур. Среднегодовое количество осадков составляет около 400 мм, при этом большая их часть (250—300 мм) выпадает в теплый период, снежный покров формируется в первой декаде октября, сход снега завершается в конце мая — начале июня [11]. В современный период с 2012 по 2017 г. среднегодовая температура воздуха составила —6,4 °С [12], в 2016 г. — —4,9 °С, в 2017 г. — -5,4 °С.
Температура ММП для района исследований составляет от —3 до —7 °С [13], по данным термометрической скважины, заложенной в 2016 г. южнее пос. Тазовский в супесчано-суглинистых породах, среднегодовая температура пород на глубине 8,7 м составила —2,7 °С.
Изучаемый участок представляет собой полигональный торфяник на межозерной поверхности. Торфяник пересекается насыпью автомобильной дороги из бетонных плит, при строительстве которой сток по системе межполигональных понижений с генеральным направлением с северо-запада на юго-восток зарегулирован в одну водопропускную трубу. Детально анализируется изменение рельефа юго-восточной части этого торфяника с множеством выпуклых
Рис. 1. Местоположение участка исследования
полигонов и значительно просевшими межполигональными понижениями с нарушенным растительным покровом, по большей части представляющими из себя развивающиеся овраги. В 2016 году многие овраги с вытаявшим ПЖЛ были полностью заполнены водой.
Поверхность торфяника ячеистая, разбита многочисленными пересекающимися морозо-бойными трещинами на прямоугольные, треугольные и многоугольные полигоны. Центральная часть большей части полигонов снижена на 0,2—0,3 м относительно валиковых краев полигонов, поверхность местами мелкобугорковатая, увлажненная.
В пределах торфяника выделяются: 1) поверхность полигонов, относительно дренированная; 2) сниженная поверхность полигонов, слабодре-нированная; 3) периферийная часть полигонов; 4) межполигональные понижения, местами просевшие, увлажненные; 5) овраги, возникшие на месте межполигональных понижений в результате деградации ПЖЛ.
Растительный покров относительно дренированной поверхности полигонов травяно-мохово-лишайниковый, местами с багульником, морошкой, брусникой; растительный покров сниженных центральных частей полигонов лишайнико-во-моховый, со сфагновой подушкой толщиной 5 см; края полигонов покрыты лишайниками с багульником, местами с морошкой и брусникой; растительный покров канав торфяника травяно-моховый, толщина сфагновой подушки от 8 до 15 см; овраги лишены растительного покрова, за исключением свежеупавших блоков (частей полигонов или межполигональных понижений), частично могут быть заполнены водой.
Методы исследования. Для наблюдения за изменением рельефа торфяника в 2016 и 2017 гг. проводилась тахеометрическая съемка на участке без непосредственного воздействия насыпи дороги.
В процессе съемки фиксировались такие детали, как бровки полигонов торфяника, тальвеги оврагов на месте межполигональных понижений, их затопленные участки, рельеф полигонов, края плит автодороги, а также другие жестко зафиксированные техногенные объекты. Бровки определялись как «не оторванные» от основного полигона блоки дернины и торфа. В случае если блок был уже оторван и лежал на склоне или дне оврага, он не считался принадлежащим полигону. В заполненных водой оврагах тальвеги закреплялись под водой. Тахеометрической съемкой в 2016 г. охвачено 18 полигонов, в 2017 г. — 24, деградация ПЖЛ происходит как в сторону углуб-
ления оврагов за счет дальнейшего протаивания останцов жил, так и в увеличении общей длины сети протаявших жил.
На основе данных тахеометрических съемок в программной среде АгсОК построены цифровые модели рельефа (ЦМР) за 2016 и 2017 гг. соответственно. Для получения корректных ЦМР вносились не только отснятые тахеометром точки с высотами, но и предварительно созданные данные о направлениях потоков внутри оврагов, края полигонов и водные объекты, которые тоже должны учитываться при создании цифровых моделей рельефа. Итоговые изменения высот участка сравнивались посредством определения разности высот двух ЦМР через вычитание растров.
Результаты и обсуждение. Для оценки темпов деградации ПЖЛ и следующего за этим изменения рельефа проанализировано изменение площади десяти полигонов торфяника, охваченных тахеометрической съемкой в оба года. Площадь каждого из полигонов уменьшилась на величину от 4 до 43 м2 (от 2 до 11 %) (рис. 2). В 2017 г. были осушены овраги, в основном затопленные в 2016 г., и глубина которых достигала тогда 3 м. Сравнением полученных ЦМР выявлено, что овраги на месте межполигональных понижений стали глубже на 16—87 см.
Условия формирования торфяников, скорость торфонакопления, возраст торфа на севере Запад-
0 10 20
40
60
Метры
Рис. 2. Различия между цифровыми моделями рельефа (ЦМР)
2016 и 2017 гг., в метрах: 1 — область, охваченная повторной тахеометрической съемкой, 2 — измерения отсутствуют
ной Сибири рассмотрены в работах ряда авторов [4, 5, 14], в которых выявлены временной период высокой скорости торфообразования, влияние климатических и геокриологических условий на формирование в торфяниках торфа и клиньев льда. В рамках проводимых исследований поставлена задача оценить влияние климатических, а также техногенных факторов на современную деградацию торфяного массива.
В северной тайге Западной Сибири была изучена динамика плоскобугристых торфяников и бугров пучения [5], где благодаря потеплению климата, начавшемуся в 70-е гг. XX в., повышению температуры ММП и увеличению глубины протаивания уменьшилась интенсивность подъема торфяников и бугров, произошла осадка поверхности, однако, в отдельные благоприятные годы с холодными малоснежными зимами происходит значительный подъем торфяников и бугров. Первые результаты проводимого мониторинга выявили значительное опускание участков поверхности над вытаивающими жилами (до 87 см), но в некоторых местах все же наблюдался подъем поверхности полигонов на 2—20 см. Это вполне согласуется с результатами других исследователей, особенно если учесть что зима 2016—2017 гг. была и холодной, и снежной, с поверхности полигонов снег в зимний период сдувался при средней ветровой активности 4,6 м/с, с порывами свыше 10 м/с в количестве 140 дней (при отсутствии безветренных дней) [12] в уже довольно глубокие овраги, оказывая отепляющее воздействие на нижние останцы жил и охлаждая сами поверхности полигонов.
К. В. Кременецкий [6] приводит обзор исследований российских ученых о распространении торфяников Западной Сибири, структуре и мощ-
ности, истории развития торфяников, данные эти относительно редки.
Однако по существующим материалам можно выявить связь между климатическими изменениями в голоцене и изменениями торфяников. Вероятно, что торфяники будут значительно реагировать на изменения климата, происходящие в последнее время. Это отражают и исследования торфяника с деградирующим ПЖЛ возле с. Газ-Сале.
Заключение. Таким образом, анализ данных мониторинга рельефа торфяника с деградирующим ПЖЛ за 2 года наблюдений позволил сделать следующие выводы:
1. Сравнение цифровых м оделей рельефа 2016 и 2017 гг. на основе тахеометрической съемки показало значительное углубление оврагов на месте межполигональных понижений до 87 см. Выявлено уменьшение площади полигонов на 4—43 м2 (в среднем на 4,3 %).
2. Дальнейший подробный мониторинг торфяника с изучением теплового влияния автодороги в сочетании с данными о криолитологичес-ком строении, а также в сравнении с подобными торфяниками без какого-либо техногенного влияния, позволит более четко представлять направление и темпы эволюции рельефа криолитозоны в этом районе.
Работа выполняется при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) в рамках научного проекта № 18-45-890013. В 2016—2017 гг. полевые работы организованы при поддержке Департамента по науке и инновациям ЯНАО и НП «Российский центр освоения Арктики».
Библиографический список
1. Достовалов Б. Н., Кудрявцев В. А. Общее мерзлотоведение. — М.: Изд-во Московского университета, 1967. — 404 с.
2. Кизяков А. И., Лейбман М. О. Рельефообразующие криогенные процессы: обзор литературы за 2010—2015 годы // Криосфера Земли. — 2016. — Т. XX, № 4. — С. 45—58.
3. Kaverin D. A., Pastukhov A. V., Lapteva E. M., Biasi C., Marushchak M., Martikainen P. Morphology and properties of the soils of permafrost peatlands in the southeast of the Bol'shezemel'skaya tundra. Eurasian Soil Science. 2016. Vol. 49. № 5. P. 498—511.
4. Васильчук Ю. К., Васильчук А. К. Мощные полигональные торфяники в зоне сплошного распространения много-летнемерзлых пород Западной Сибири // Криосфера Земли. — 2016. — Т. XX, № 4. — С. 3—15.
5. Пономарева О. Е., Гравис А. Г., Бердников Н. М. Современная динамика бугров пучения и плоскобугристых торфяников в северной тайге Западной Сибири (на примере Надымского стационара) // Криосфера Земли. — 2012. — Т. XVI, № 4. — С. 21—30.
6. Kremenetski K. V., Velichko A. A., Borisova O. K., MacDonald, Smith L. C., Frey K. E., Orlova L. A. Peatlands of the Western Siberian lowlands: current knowledge on zonation, carbon content and Late Quaternary history. Quat. Sci. Rev., 2003, No. 22, P. 703—723.
7. Liljedahl A. K., Boike J., Daanen R. P., Fedorov A. N., Frost G. V., Grosse G., Hinzman L. D., Iijma Y., Jorgenson J. C., Matveyeva N., Necsoiu M., Raynolds M. K., Romanovsky V. E., Schulla J., Tape K. D., Walker D. A., Wilson C. J., Yabuki H., Zona D. Pan-Arctic ice-wedge degradation in warming permafrost and its influence on tundra hydrology. Nat. Geosci., 2016, No. 9, P. 312—318.
8. Ulrich M., Grosse G., Strauss J., Schirrmeister L. Quantifying wedge-ice volumes in yedoma and thermokarst basin deposits. Permafr. Periglac. Process., 2014, No. 25, P. 151—161.
9. Бардин М. Ю., Ранькова Э. Я., Самохина О. Ф. Температурные экстремумы июня и июля 2016 года // Фундаментальная и прикладная климатология. — 2016. — Т. 2. — С. 143—148.
10. National Centers for Environmental Information: Land-Based Station Data // https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/land-based-station-data (дата обращения: 31.07.2018).
11. Ершов Э. Д. Геокриология СССР. Западная Сибирь. — М.: Недра, 1989. — 454 с.
12. Расписание погоды: Архив погоды в Тазовском // http://rp5.ru/Архив_погоды_в_Тазовском (дата обращения: 31.07.2018).
13. Геокриологическое районирование Западно-Сибирской плиты. Под ред. В. Т. Трофимова. — М.: Наука, 1987. — 219 с. 31.07.2018.
14. Фотиев С. М. Арктические торфяники Ямало-Гыданской провинции Западной Сибири // Криосфера Земли. — 2017. — Т. XXI, № 5. — С. 3—15.
RELIEF CHANGES OF THE PEAT PLATEAU WITH MELTING OF POLYGONAL-WEDGE ICE IN THE NORTHERN PART OF THE PUR-TAZ INTERFLUVE
E. M. Babkin, junior researcher, Earth Cryosphere Institute, Tyumen Scientific Centre,
Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (ECI Tyumen Scientific Centre SB RAS), Tyumen, Russia, zbbkin@rambler.ru;
A. V. Khomutov, Ph. D. (Geology and Mineralogy), leading researcher, Earth Cryosphere Institute, Tyumen Scientific Centre,
Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (ECI Tyumen Scientific Centre SB RAS), senior researcher,
University of Tyumen (UTMN), Tyumen, Russia, akhomutov@gmail.com;
Yu. A. Dvornikov, Ph. D. (Geology and Mineralogy), researcher, ydvornikow@gmail.com;
R. R. Khairullin, Ph. D. student, rustam93-93@bk.ru;
E. A. Babkina, junior researcher, ea-pereval@mail.ru;
Earth Cryosphere Institute, Tyumen Scientific Centre, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences
(ECI Tyumen Scientific Centre SB RAS), Tyumen, Russia
References
1. Dostovalov B. N., Kudryavcev V. A. Obshee merzlotovedenie. [General Permafrost Science]. Moscow, Izd-vo Moskovskogo universiteta [Publishing house of Moscow University], 1967. 404 p. [in Russian].
2. Kizyakov A. I., Lejbman M. O. Relefoobrazuyushie kriogennye processy: obzor literatury za 2010—2015 gody. [Cryogenic reliefformation processes: a review of 2010—2015 publications]. Earth's Cryosphere, 2016, Vol. XX, No. 4. P. 45—58. [in Russian].
3. Kaverin D. A., Pastukhov A. V., Lapteva E. M., Biasi C., Marushchak M., Martikainen P. Morphology and properties of the soils of permafrost peatlands in the southeast of the Bol'shezemel'skaya tundra. Eurasian Soil Science. 2016. Vol. 49. No. 5. P. 498—511.
4. Vasilchuk Yu. K., Vasilchuk A. K. Moshnye poligonalnye torfyaniki v zone sploshnogo rasprostraneniya mnogoletnemerzlyh porod Zapadnoj Sibiri. [Thick polygonal peatlands in continuous permafrost zone of west Siberia]. Earth's Cryosphere, 2016, Vol. XX, No. 4. P. 3—15. [in Russian].
5. Ponomareva O. E., Gravis A. G., Berdnikov N. M. Sovremennaya dinamika bugrov pucheniya i ploskobugristyh torfyanikov v severnoj tajge Zapadnoj Sibiri (na primere Nadymskogo stacionara). [Contemporary dynamics of frost mounds and flat peatlands in north taiga of west siberia (on the example of Nadym site)]. Earth's Cryosphere, 2012, Vol. XVI, No. 4. P. 21—30. [in Russian].
6. Kremenetski K. V., Velichko A. A., Borisova O. K., MacDonald, Smith L. C., Frey K. E., Orlova L. A. Peatlands of the Western Siberian lowlands: current knowledge on zonation, carbon content and Late. Quaternary history. Quat. Sci. Rev. 2003, No. 22. P. 703—723.
7. Liljedahl A. K., Boike J., Daanen R. P., Fedorov A. N., Frost G. V., Grosse G., Hinzman L. D., Iijma Y., Jorgenson J. C., Matveyeva N., Necsoiu M., Raynolds M. K., Romanovsky V. E., Schulla J., Tape K. D., Walker D. A., Wilson C. J., Yabu-ki H., Zona D. Pan-Arctic ice-wedge degradation in warming permafrost and its influence on tundra hydrology. Nat. Geosci., 2016, No. 9. P. 312—318.
8. Ulrich M., Grosse G., Strauss J., Schirrmeister L. Quantifying wedge-ice volumes in yedoma and thermokarst basin deposits. Permafr. Periglac. Process., 2014, No. 25. P. 151—161.
9. Bardin M. Yu., Rankova E. Ya., Samohina O. F. Temperaturnye ekstremumy iyunya i iyulya 2016 goda. [Temperature extremes of June and July 2016]. Fundamental and applied climatology, 2016, Vol. 2. P. 143—148. [in Russian].
10. National Centers for Environmental Information: Land-Based Station Data. Electronic resource avaluable at URL: https:// www.ncdc.noaa.gov/data-access/land-based-station-data/, date of access 31.07.2018.
11. Ershov E. D. Geokriologiya SSSR. Zapadnaya Sibir. [Geocryology of the USSR. Western Siberia]. Moscow: Nedra, 1989. 454 p. [in Russian].
12. Weather in Tazovsky: Weather archive at the weather station. Electronic resource avaluable at URL: https://rp5.ru/ Weather_in_ Tazovsky/, date of access 31.07.2018.
13. Trofimov V. T. Geokriologicheskoe rajonirovanie Zapadno-Sibirskoj plity. [Geocryological zoning of the Western Siberian plate]. Moscow: science, 1987. 219 p. [in Russian].
14. Fotiev S. M. Arkticheskie torfyaniki Yamalo-Gydanskoj provincii Zapadnoj Sibiri. [Arctic peatlands of the yamal-gydan province of western siberia]. Earth's Cryosphere, 2017, Vol. XXI, No. 5. P. 3—15. [in Russian].
