CC BY
37О РОЛИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
В ФОРМИРОВАНИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ПОРОД
Станислав Иванович Заболотник,
кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории общей геокриологии Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, г. Якутск
Изучение особенностей формирования температурного режима и мощности многолетнемёрзлых пород (ММП) в различных регионах страны является одним из основных направлений мерзлотоведения (геокриологии). Среди множества факторов, оказывающих существенное влияние на эти показатели, особое место занимает снежный покров. Многолетние стационарные исследования его роли в этих процессах были проведены в конце прошлого столетия А. В. Павловым в Центральной Якутии [1, 2] и автором данной статьи в зоне БАМа [3]. В текущем столетии проводятся лишь эпизодические измерения его отдельных параметров [4].
В связи с тем, что в ближайшей перспективе планируется промышленное освоение арктических районов страны, возникла необходимость объяснить, почему в Красноярском крае, в 180 км севернее полярного круга, широко распространены талики. Мной предпринята такая попытка, основываясь на результатах своих работ на крайнем северо-западе Среднесибирского плоскогорья, а также на многолетних наблюдениях Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН в Центральной Якутии и в зоне БАМа.
Район исследований находится севернее 68 параллели, в 60 км от устья р. Хантайки (рис. 1). В этом месте она прорезает хр. Большой, образуя Большой Хантайский порог. В геологическом строении района принимают участие главным образом карбонатные породы ордовика, представленные толщей серых и тёмно-серых толстоплитчатых и массивных известняков, перемежающихся с пачками доломитизиро-ванных известняков [6].
С. И.Заболотник DOI: 10.24411/1728-516Х-2019-10030
Карбонатные породы прорваны пластовой интрузией габбро-диабазов пермь-триасового периода, образующей хр. Большой. Коренные породы на большей части территории покрыты комплексом четвертичных отложений (рис. 2).
Несмотря на то, что район исследований находится на Крайнем Севере, здесь преобладает лесная растительность. Чаще всего она распространена на положительных формах рельефа и представлена главным образом редкостойными разновидностями лиственничников, реже - березняков. Приблизительно 20-25 % площади занимают различные типы болот. Почвы относятся к подзолистому и болотному типам. Подзолистые почвы характеризуются слабым расчленением на горизонты, свидетельствующем о малой интенсивности процесса подзолеобразова-ния. Для болотных почв характерны оглеенные и глеевые горизонты [7, 8].
Проведённые исследования показали, что регион относится к зоне с островной криолитозоной, а
Рис. 1. Фрагмент карты района исследований [5]
Рис. 2. Схематическая геологическая карта района исследований (составлена по материалам Ленгидропроекта).
1 - четвертичные отложения: пески, супеси, суглинки, галька и гравий; 2 - известняки;
3 - интрузии габбро-диабазов; 4 - стратиграфические границы; 5 - реки;
6 - ручьи и временные водотоки; 7 - линия профиля
многолетнемёрзлые породы занимают лишь около 60 % его территории. Талики находятся под руслами рек и речек, в их поймах, под озёрами и в заболоченных понижениях всех элементов макро- и мезорельефа.
Наиболее детально были изучены участки по профилю А - Б, который задан вдоль хр. Большого на 12,5 км от левого берега р. Хантайки, пересекает её и продолжается по правому берегу в северном направлении, захватывая понижение между частями хребта (см. рис. 2). Исследовались главным образом четвертичные отложения, которые небольшим слоем (от 3 до 13 м) перекрывают коренные породы. Лишь в северной части хребта толщина четвертичных отложений возрастает до 14-35 м.
На возвышенных залесённых участках левого берега с отметками выше 65 м ни одна из выработок не вскрыла многолетнемёрзлые породы. Все понижения на габбро-диабазах заполнены песчано-гравийно-га-лечными отложениями мощностью от 5 до 10 м. Местами они покрыты тонким слоем (от 0,5 до 3 м) супеси. Вершина покрыта маломощным слоем (до 1 м) морены. Влажность отложений изменяется от 15 до 35 %, а глубина сезонного промерзания - от 0,8 до 1,2 м. Отсутствие ММП, очевидно, обусловлено тем, что в летнее время данные отложения хорошо дренируют осадки и тёплая вода проникает вплоть до скального ложа. Кроме того, лесная растительность препятствует ветровому переносу снега, который накапливается и предохра-
няет грунты от сильного охлаждения в зимнее время. О состоянии скальных пород, не перекрытых рыхлыми отложениями, можно судить, только исходя из теоретических предпосылок. Крутые безлесные склоны, с которых сдувается снег, подвергаются зимой сильному охлаждению и глубокому промерзанию. В летнее время, наоборот, незащищённые растительностью скалы, обладая большой теплопроводностью, хорошо прогреваются. Поскольку коренные породы практически не содержат ледяных включений (только в трещинах), то всё поступающее тепло идёт на прогревание породы, поэтому на крутых склонах хребта происходит глубокое сезонное промерзание и протаивание пород. Что касается наличия ММП, то фактических данных нет. Тем не менее, исходя из того, что многолетняя средняя годовая температура воздуха в районе изменяется от-8,7 до -9,6 °С и зимний период в два раза продолжительнее летнего [9], мы полагаем, что на таких участках наверняка распространены многолетнемёрзлые породы, и достаточно большой мощности.
Совсем другие условия наблюдались на участках, прилегающих к р. Хантайке. Там расположены пологие залесённые склоны хребта, возвышающиеся на 50-60 м над урезом воды в реке. Буровыми работами здесь были вскрыты маломощные (от 1,5 до 10 м) мёрзлые супесчано-суглинистые отложения с галькой и линзами песка, подстилаемые габбро-диабазами. Встречаются болотные понижения, заполненные торфом. Льдистость грунтов изменяется от 20 до 65 %, а температура - от минус 0,1 до минус 0,5 °С. Глубина сезонного протаива-ния в торфяниках составляет 0,3-0,4 м, а в супесчано-суглинистых грунтах достигает 1,0 м.
Мощность ММП не была установлена, так как глубокие скважины в габбро-диабазах, пробуренные ранее изыскателями, были заполнены водой. Судя по близким к нулю отрицательным температурам в поверхностных отложениях, она вряд ли превышает 15-20 м. Косвенным подтверждением этому является то, что, согласно замерам температуры воды в скважине 2, она неуклонно повышается от 0 °С на глубине 20 м до +4,1 °С - на глубине 80 м.
Склоны хребта, примыкающие к руслу р. Хантайки, характеризуются большим углом наклона (от 60 до 90°), полным отсутствием рыхлых отложений и растительности. Правобережная часть хр. Большого наиболее высокая. Её поверхность возвышается на 70-105 м над меженным уровнем воды в реке. Пониженная его часть (70-90 м) сверху перекрыта маломощной толщей делювия (от 2 до 6 м), представленного супесями и суглинками, подстилаемыми 1,0-1,5-метровым слоем галечников с валунами. Все выработки в покровном слое на этом участке вскрыли мёрзлые толщи, температура которых близка к 0 °С, а сезонное протаивание изменяется от 0,65 до 1,05 м. В верхней части (до 2,0-2,5 м) ММП содержат значительное количество льда (20-30 % от общего объёма отложений). Подстилающие коренные породы, по-видимому, также проморожены, но на небольшую глубину. По нашим оценкам, мощность ММП не превышает 10-15 м.
Возвышенная часть хребта не перекрыта рыхлой толщей и не залесена. Непосредственных наблюдений здесь не проводилось. Можно предположить, что как и на крутых оголённых склонах, в таких местах распространены ММП, и достаточно большой мощности.
Понижение хребта в северной его части заполнено отложениями IV надпойменной террасы, возвышающейся над урезом реки на 43-60 м (рис. 3). Её поверхность слабо расчленена ручьями, встречаются также озёрно-болотные понижения с торфяными буграми пучения. Терраса сложена тонко- и мелкозернистыми песками, супесями и суглинками. Непосредственно на коренном ложе залегает морена и песчано-галечниковые отложения с валунами. В растительном покрове преобладают редкостойный лиственничник и багульниковый смешанный лес. Этот участок характеризуется большим разнообразием мерзлотных условий. В его пределах широко распространены как мёрзлые, так и талые породы.
Рис. 3. Мерзлотно-литологический разрез впадины в северной части хр. Большого.
Состав отложений и коренных пород: 1 - торф и торфяно-болотные отложения; 2 - песок; 3 - галька и гравий; 4 - супесь; 5 - суглинок; 6 - морена; 7 - габбро-диабазы. Температура отложений, °С: 8 - выше 0; 9 - от 0 до -0,5;
10 - от -0,5 до -1,0; 11 - ниже -1; 12 - возможно наличие ММП. 13 - места заложения скважин
Наиболее низкие температуры грунтов (до -1,2 °С) установлены вблизи примыкания к северному склону хребта под торфяными буграми, где подстилающие их суглинки проморожены до глубины 19,5 м. Сравнительно низкие температуры и относительно большая мощность многолетнемёрзлых пород обусловлены почти полным сдуванием снежного покрова. Под минеральными буграми мощность многолетнемёрзлых пород не превышала 14 м, а температура их изменялась от -0,5 до -0,6 °С. Составляющие большую часть разреза суглинки содержат значительное количество льда, в распределении которого отмечена следующая закономер-
ность. В верхней части многолетнемёрзлой толщи (до 2,7 м) лёд наблюдался в виде гнёзд кристаллов, линз и тонких прожилок и занимал от 25 до 50 % её объёма. В интервале 2,7-9,8 м ледяные включения состояли из частых и мощных прослоев, а льдистость грунтов достигала 70-90 %. В нижних горизонтах встречались только редкие гнёзда и одиночные кристаллы льда, а льдистость суглинков уже не превышала 10-15 %.
В супесчаных отложениях наблюдалась примерно аналогичная картина. Пробуренная Ленгидропроектом скважина 8 под тонким слоем (0,2 м) торфа до глубины 10 м вскрыла мёрзлые льдистые супеси, температура которых составляла -0,4 °С.
Наибольший интерес в геокриологическом отношении представляет центральная часть понижения. Здесь под переслаивающимися супесчаными и песчаными отложениями мощностью от 6 до 12,5 м обнаружен прослой мёрзлых суглинков толщиной от 4 до 11 м, температура которого изменялась в интервале от -0,5 до -1,0 °С (см. рис. 3). Вся толща многолетнемёрзлых пород на этом участке залегает на талых песчано-гра-вийных и моренных отложениях, содержащих большое количество валунов. Лишь на участках непосредственного примыкания к склонам хребта она опирается на коренные породы, температура которых близка к 0 °С.
Как во время проведения исследований, так и при обработке результатов, основной темой дискуссии был вопрос: почему в районе, расположенном гораздо севернее полярного круга, наблюдается маломощная и островная мерзлота? Особый интерес к этому был обусловлен тем, что на окружающих более южных территориях установлены большие мощности многолетнемёрзлых пород. Так, в пос. Ермаково, расположенном на широте Северного полярного круга, и немного севернее, на левобережье Енисея (в верховьях р. Бол. Хеты), обнаружены многолетнемёрзлые породы мощностью от 415 до 560 м (рис. 4). Кроме того, на аналогичных широтах в Западной Сибири было установлено сплошное распространение многолетнемёрзлых пород, а их мощность на различных участках изменялась от 150 до 450 м [10, 11].
Документальное объяснение этому мы нашли лишь тогда, когда занялись изучением влияния снежного покрова на подстилающие грунты. Анализ наблюдений за высотой снежного покрова на метеостанциях региона показал, что он оказывает решающую роль в формировании температурного режима подстилающих грунтов. Влияние снежного покрова в значительной степени определяется его плотностью. Например, на побережье Северного Ледовитого океана благодаря сильному ветровому воздействию при отсутствии лесной растительности средние плотности снега максимальны и достигают 0,30-0,35 г/см3 [12]. Поэтому его отепляющее влияние невелико и составляет около 1 °С на каждые 25 см снега (рис. 5, линия 3). При небольших значениях плотности снежного покрова (0,14-0,19 г/см3), наблюдаемых в пределах Среднесибирского плоскогорья и в некоторых горных котловинах, его влияние весьма значительно. Даже при 20-сантиметровой толщине снежного
Рис. 4. Мощность многолетнемёрзлых пород в районе исследований
Рис. 5. Влияние снежного покрова различной плотности и толщины на температуру подстилающих грунтов.
At - разница между средними годовыми температурами поверхности грунтов @пг) и воздуха @в). Средняя плотность снежного покрова, г/см3: сектор 1 - 0,14-0,19; сектор 2 - 0,22-0,25; сектор 3 - 0,30-0,35
покрова средняя годовая температура на поверхности грунтов может быть на 8 °С выше температуры воздуха (рис. 5, сектор 1).
В районе исследований наибольшая за зиму высота снежного покрова изменяется от 100 до 150 см (рис. 6), достигая в заносах до 200 см и более, а средняя его плотность составляет 0,22-0,25 г/см3 [12]. Под таким снежным покровом температура подстилающих грунтов должна быть на 9-10 °С выше температуры воздуха (рис. 5, сектор 2). Поэтому даже при столь низких средних годовых температурах воздуха, изменяющихся по многолетним данным наблюдений на близрасполо-женных метеостанциях Игарка и Потапово от -8,7 до -9,6 °С [9], возможно широкое распространение таликов, а также вполне объяснимы очень небольшие мощности многолетнемёрзлых пород.
Подтверждение очень сильного отепляющего влияния снежного покрова на подстилающие грунты мы получили также во время 3-4-годичных ежесуточных наблюдений на стационарах Зейск и Этеркан, расположенных на восточном участке трассы Байкало-Амурской железнодорожной магистрали. На этих стационарах измерения температуры проводились как непосредственно на поверхности снежного покрова, так и под ним, 4 раза в сутки в стандартные метеорологические сроки: 01, 07, 13 и 19 часов. Было установлено, что при средней зимней плотности снежного покрова, составляющей 0,15-0,16 г/см3, максимальное отепляющее влияние
Рис. 6. Средние многолетние значения из наибольших декадных высот снежного покрова (см).
Нанесены на карту по Справочнику [12]
-ЬЧ°С
4 6
10
12,
-0,5 го со о
о.
^
О 0,4 1=
о
¡0,3
ф
х
о
го
|0,2
\ V
Иср \\ Я м % 1 ■ 1 1
/| О У РС 1 1 Гц 1 ■
'у' ,'У /
/К**'
а о б ■
0.6
0.5
0.4
£
и
СЛ ф
с
о
0.3"П
ф
г
о о
0.2 5 о с
со
0.1
Рис. 7. Зависимость отепляющего влияния снежного покрова от его максимальной (hJ и средней за зиму (Мср) толщины на площадках стационаров Зейск (а) и Этеркан (б).
At - разность между температурами под снегом (на поверхности грунта - ^^ и на поверхности снежного покрова
(около 10 градусов) происходит тогда, когда его высота достигает 45 см (рис. 7). При дальнейшем увеличении высоты снежного покрова его теплоизоляционная способность уменьшается, так как снег уплотняется, а его плотность возрастает до 0,17-0,18 г/см3 [3].
В связи с тем, что максимальная толщина снежного покрова иногда бывает всего несколько дней за сезон, она не может быть надёжным показателем, по которому следует оценивать его отепляющее влияние. Поэтому для этих стационаров были определены средние за зиму его мощности, которые позволяют дать общую оценку влияния снежного покрова на формирование температурного режима подстилающих грунтов.
При средней за зиму толщине снежного покрова до 30 см средняя годовая температура на поверхности мохового покрова и грунтов повышается на 9,0-9,5 °С или по 3,0-3,2 °С на каждые 10 см. При толщине снега 30-40 см происходит как некоторое увеличение его отепляющего влияния, так и уменьшение, в среднем достигающее 8,5-9,7 °С. При возрастании средней мощности снега до 45 см его отепляющее влияние уменьшается до 7,5-8,5 °С (рис. 7).
Таким образом, на основании анализа результатов детальных стационарных наблюдений выявлены основные закономерности формирования температурного режима грунтов в долине р. Хантайки, расположенной в 180 км севернее полярного круга. Несмотря на то, что многолетняя средняя годовая температура воздуха в районе исследований изменяется от -8,7 до -9,6 °С, в его пределах установлено островное распространение многолетнемёрзлых пород, и они занимают около 60 %
территории. Талики обнаружены на всех участках, где наблюдается повышенное снегонакопление.
Основной причиной такого феномена является то, что высота снежного покрова достигает 100-150 см, а иногда и более. Подобное мощное снежное покрывало настолько сильно предохраняет грунты от зимнего охлаждения, что под ним многолетнемёрзлые породы не образуются. Средняя годовая температура подстилающих грунтов на таких участках становится на 6-10 и более градусов выше температуры воздуха. Как правило, многолетнемёрзлые породы отмечаются на возвышенных, частично или полностью лишённых растительности участках, с которых снег сдувается ветром. Кроме того, они распространены на тундровых заболоченных пространствах, где снег под воздействием ветра значительно уплотняется и существенно теряет свои теплоизоляционные свойства.
Список литературы
1. Павлов, А. В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР /
A. В. Павлов. - Якутск: Кн. изд-во, 1975. - 302 с.
2. Павлов, А. В. Расчёт и регулирование мерзлотного режима почвы / А. В. Павлов. - Новосибирск: Наука, 1980. - 240 с.
3. Заболотник, С. И. Роль напочвенных покровов в формировании температуры грунтов на северо-востоке Амурской области / С. И. Заболотник // Наука и образование. - 2014. - № 3 (75). - С. 82-87.
4. Алексеев, В. Р. Притяжение мёрзлой земли /
B. Р. Алексеев. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2016. - 538 с.
5. Малый атлас СССР. Фрагмент карты «Красноярский край (север), Таймырский (Долгано-Ненецкий) и Эвенкийский (север) национальные округа, м-б 1:8 000 000». - М. : ГУГК СССР, 1973. - С. 56-57.
6. Инженерная геология СССР. Том 3. Восточная Сибирь. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 1977. - 657 с.
7. Тыртиков, А. П. Влияние растительного покрова на промерзание и протаивание грунтов / А. П. Тыр-тиков. - М. : Изд-во МГУ, 1969. - 192 с.
8. Тыртиков, А. П. Динамика растительного покрова и развитие вечной мерзлоты в Западной Сибири /А. П. Тыртиков. - М. : Изд-во МГУ, 1974. - 199 с.
9. Справочник по климату СССР. Часть II: Температура воздуха и почвы. Вып. 21 : Красноярский край и Тувинская АССР. - Л. : Гидрометеоиздат, 1967. -504 с.
10. Карпов, Е. Г. Состояние криолитозоны Игарского района Енисейского Заполярья / Е. Г. Карпов, Е. Л. Барановский. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 1999. - 90 с.
11. Геокриология СССР. Западная Сибирь / Под ред. Э. Д. Ершова. - М. : Недра, 1989. - 454 с.
12. Справочник по климату СССР. Часть IV: Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. Вып. 21 : Красноярский край и Тувинская АССР. - Л. : Гидрометеоиздат, 1969. - 404 с.
