CC BY
37СЕЗОННОЕ ПРОТАИВАНИЕ И ПРОМЕРЗАНИЕ ГРУНТОВ В ЮЖНОЙ ЯКУТИИ
С. И. Заболотник, П. С. Заболотник
к
¡И^Чил/ч ' VI -1. \ (Ш пГ
Станислав Иванович Заболотник,
кандидат геолого-минералогических наук, академик Международной академии информатизации, ведущий
научный сотрудник лаборатории региональной геокриологии и криолитолюгии Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.
Павел Станиславович Заболотник,
инженер-исследователь лаборатории региональной геокриологии и криолитологии Института мерзлотоведения им. П. И Мельникова СО РАН.
Под Южной Якутией понимается географическая зона республики, расположенная южнее 60° с.ш. Здесь преобладают среднегорный и высокогорный ландшафты с колебанием высот от 650 до 2412 м над уровнем моря: горные хребты, плоскогорья, горные впадины с довольно сложной геологической историей и разнообразной геоморфологией. Большая часть территории Южной Якутии, с юга и юго-запада окаймляемая Становым хребтом, представляет собой Алданское нагорье. Высота его колеблется в пределах 800 - 1200 м над уровнем моря.
Климат, определяемый горным рельефом и взаимодействием пого-дообразующих процессов, характе-ризируется как умеренно континентальный. Многолетняя средняя годовая температура воздуха в регионе изменяется в достаточно большом диапазоне: от 6,2 (Алдан) до 11,2° С (Токо) [1].
Одной из характерных особенностей этой географической зоны является наличие многолетней мерзлоты, во многом определяющей облик природных ландшафтов этого региона. Многолетнемерзлые породы здесь преимущественно прерывистые по площади и сплошные по глубине. Мощность их изменяется от нескольких до 400 м и более, а средняя годовая температура колеблется от 0 до 6° С [2].
Специфической чертой региона является очень сложное пространственное сочетание таликов и много-летнемерзлых пород. Талики «... занимают большую часть площади При-алданского и 40 - 60% Чульманского плато. В равнинных районах Алданского плоскогорья площадь, занятая ими, сокращает ся с ростом абсо-лютныхвысот до 20%. В горныхрай-онах талики имеют локальное распространение и занимают менее 10% площади. По положению в рельефе преобладают водораздельные и долинные т алики. Первые приуроче-
ны, как правило, к хорошо дренированным пологовыпуклым поверхнос-т ям водоразделов и их склонам, вт о-рые - к руслам рек и ручьев, реже к пойменным и надпойменным террасам» [2, стр. 106].
Южная Якутия - один из основных минерально-сырьевых регионов Якутии. Здесь находятся промышленные запасы золота, коксующихся и энергетических углей, железных руд, слюды, строительных материалов, пьезооптического сырья, полудрагоценных и ювелирных камней.
Важное значение для этого региона имеет такое полезное ископаемое, как уголь, геологические запасы которого оцениваются в 57,5 млрд т. В южной части выявлено шесть железорудных районов, общие прогнозные запасы железной руды в которых оцениваются в 22,0 млрд т [3]. Разведаны также богатые месторождения вспомогательного нерудного сырья, крайне необходимого для черной металлургии: флюсовые известняки, доломиты, форстериты, флюорит, формовочные и огнеупорные глины, кварциты и др. На сегодняшний день на территории Южной Якутии учтено 232 месторождения золота, общие прогнозные ресурсы которых оцениваются в 266,81 т. Известны два фло-гопитоносных района, которые включают в себя десятки месторождений слюды-флогопита. Открыты 39 месторождений стройматериалов, Южно-Якутская хрусталеносная провинция с огромными запасами пьезо-оптического сырья, месторождения камнесамоцветного и ювелирного сырья и многое другое [3].
Такая богатая минерально-сырьевая база легла в основу формирования проекта «Комплексное развитие Южной Якутии», реализация которого уже началась. В соответствии с ним предполагается следующее.
На р. Тимптон планируется возведение Канкунской ГЭС с плотиной высотой 247 м. Это будет самая высокая плотина из существующих в Рос-
сийской Федерации. Мощность ГЭС составит 1200 мегаватт [4].
На месторождениях Эльконского урановорудного района планируется построить горно-металлургический комбинат проектной мощностью до 5 тыс. т урана в год.
Будет создано Южно-Якутское горно-металлургическое объединение, в его числе - два горно-обогатительных комбината на базе наиболее перспективных месторождений железной руды: Таежного и Тарыннах-ского. Суммарные запасы этих месторождений позволят добывать руду открытым способом более 40 лет, а затем в течение еще 60 - 70 лет проводить подземную доработку месторождений.
Проектируется создание Селигдарского горнохимического комплекса на базе месторождения, в который войдут горно-обогатительный комбинат мощностью 3,57 млн т апатитового концентрата в год и химический завод по производству комплексных фосфорно-магниевых удобрений. Объем добычи и переработки руды составит 30 млн т в год, а мощность завода должна составить 567 тыс. т в год.
Железнодорожные пути протянутся к Эльконскому ГОКу, Селигдарскому ГХКТ, Таежному ГОКу, Инаглинскому угольному комплексу и Тарыннахскому ГОКу [4].
В конце 2010 г. планируется запуск в промышленную эксплуатацию крупнейшего в России Эльгинского угольного месторождения, балансовые запасы которого составляют 2,1 млрд т коксующегося энергетического угля. Только разведанные запасы его могут отрабатываться в течение минимум 500 лет. Прогнозные ресурсы так же велики [5].
Даже далеко неполный перечень мероприятий, направленных на освоение Южной Якутии, показывает необходимость знания природных условий региона и, в частности, особенностей сезонного прота-ивания и сезонного промерзания грунтов, которые необходимо учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации различных объектов. Ведь именно сезон-нопротаивающий (промерзающий) горизонт грунта в первую очередь подвергается техногенным воздействиям.
Глубина сезонного протаивания грунтов зависит от множества постоянно изменяющихся параметров природной среды. Поэтому предсказать ее точное значение в каком-либо месте практически невозможно. Тем не менее постоянно возникает необходимость предварительной оценки глубины протаивания (промерзания) грунтов. Это можно сделать лишь при сопоставлении единовременных результатов измерений данного параметра в аналогичных условиях по единой методике. Проведение такой работы, к сожалению, невозможно из-за отсутствия до настоящего времени необходимого потенциала специалистов и средств.
Для решения этой проблемы мы воспользовались результатами многолетних измерений температуры воздуха, удовлетворяющими всем вышеизложенным требованиям. Они получены на метеорологических станциях в Южной Якутии, расположенных вдоль 126 меридиана. Глубина сезонного протаивания грунтов в каждом пункте была вычислена для двух их разновидностей: песков с
влажностью 5 и 25% и суглинков ? 20 и 45%. Такие диапазоны влажности выбраны с целью получения пределов изменения глубины сезонного протаивания относительно сухих и влажных грунтов [6].
Опыт многолетних исследований мерзлотоведов на территории страны показал, что глубина сезонного протаивания грунтов на торфяниках и под мохово-торфяным покровом всегда меньше, чем в суглинках. В супесях она имеет промежуточное значение между ее величиной в песках и суглинках. В гравийно-галечных грунтах, а также в скальных породах глубина сезонного протаивания всегда больше, чем в песках. Следовательно, наши расчеты дают представление о значении этого параметра и для других разновидностей грунтов.
Закономерности изменения глубины сезонного протаивания грунтов с севера на юг, а также при повышении абсолютной высоты местности изучались нами в центральной, наиболее протяженной с севера на юг (около 500 км), части Южной Якутии (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения мет еорологических станций в Южной Якутии и линия профиля I -1, вдоль кот орого рассчитана глубина сезонного протаивания грунт ов.
Рассматриваемый профиль пересекает Алданское нагорье и упирается в Становой хребет. Абсолютная высота местности по этому направлению изменяется преимущественно от 500 до 1000 м, а на отдельных участках возрастает до 1500 м.
По данным каждой метеорологической станции удалось не только вычислить глубину сезонного протаивания грунтов в районе их расположения, но и установить корреляционную зависимость ее величины от географической широты и абсолютной высоты местности. Полученные соотношения имеют вид: суглинок (\ = 45%) ^ = 0,0637ф - 0,56010"3И + 5,43 суглинок (\ = 20%)
= 0,0783ф - 0,68210"3И + 6,62 песок (\ = 25%)
= 0,0969ф - 0,84710"3И + 8,21 песок (\ = 5%) ^ = 0,1430ф - 1,27710"3И + 11,82 где \\ - весовая влажность грунтов, %; ^ - глубина сезонного протаивания грунтов, м; ф - географическая широта
(1)
Р = 0,77,
(2)
Р = 0,76,
(3)
Р = 0,77,
(4)
Р = 0,74,
1500
г
,а 1000
то
с
со 500
с
1(1 0
<
1,0
ю >
я
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
158 162 161 '"
157 163 165 -166
140 148« • 154
—\/А1 1А/ \----1- 1т'
~ ~-- —* Л / \ 1 /1 """" ■«, Т ~"
~ ~ V- Г" "
— —.
60
58
Географическая широта, °с.ш.
56
1 /V 2 I/4 3 \Л
--- 5 - - - 6 " - - 7 ----
Рис. 2 Зависимость глубины сезонного протаивания грунт ов от географической широты и абсолютной высоты местности: 1 - 4 - изменение глубины сезонного протаивания грунт ов с учет ом
абсолютной высоты местности; 5 - 8 - без ее учета. Вверху -номера мет еостанций [1]. Суглинки: линии 1 и 5 - влажность 45%; 2 и 6 - 20%. Пески: линии 3 и 7 - влажность 25%; 4 и 8 - 5%.
местности, градусы северной широты; Н - абсолютная высота местности, м; р - коэффициент корреляции.
Проведенные с учетом высотных градиентов расчеты показали, что на большей части региона глубина сезонного протаивания изменяется в суглинках от 1,0 до 1,8 м (рис. 2, кривые 1, 2), в песках от 1,5 до 3,0 м (рис. 2, кривые 3, 4).
Из соотношений (1) - (4) следует, что в Южной Якутии при увеличении высоты местности на 1000 м глубина сезонного протаивания уменьшается на 0,56 - 0,68 м в суглинках и на 0,85 - 1,28 м в песках. На каждый градус широты (в направлении с севера на юг) она увеличивается на 0,06 - 0,08 м и на 0,10 - 0,14 м, соответственно. Кроме того, следует иметь в виду, что в низкорасположенных долинах рек и межгорных котловинах, где высотный градиент незначителен, грунты протаивают на большую глубину. Пределы возможного изменения мощности се-зоннопротаивающего слоя здесь 1,6 - 2,3 м в суглинках и
2,4 - 3,8 м в песках (см. пунктирные линии на рис. 2). Вычисленные значения максимальной мощности этого слоя не выходят за пределы величин, определенных в натурных условиях и приведенных на картах различных авторов [2, 7 - 13].
Установленные корреляционные зависимости, помимо общих диапазонов изменения глубины сезонного протаивания грунтов, позволяют также вычислить ее в любой точке региона. Например, в естественных условиях в районе пос. Чульмана (56?54?с.ш.; 671 м абс.) рассчитанная глубина сезонного протаивания изменяется в суглинках от 1,4 до 1,7 м, в песках от 2,05 до 2,85 м.
Анализ измерений температуры грунтов на метеостанции Чульман с 1951 по 1958 и с 1959 по 1963 гг. (более новые данные, к сожалению, теперь недоступны) показывает, что максимальная мощность сезоннопротаивающе-го слоя там достигала 3,5 - 3,6 м (рис. 3).
Различие значений глубины сезонного протаивания грунтов, рассчитанных по выведенным нами соотношениям и полученных по замерам в пределах метеостанции, вполне объяснимо. Во-первых, на территории станции залегающие сверху супесчано-песчаные грунты сменяются с глубины 0,4 м песчаными, ниже 2,0 м ? гравелистые отложения, протаивающие, как упоминалось выше, на большую глубину. Во-вторых, расположение площадок метеостанций, в том числе и станции наблюдений, как правило, является аномальным, поскольку они оборудуются всегда на открытой (без леса и кустарников) местности, что также способствует более глубокому сезонному протаиванию. В-третьих, точность измерения температуры грунтов вытяжными термометрами невелика. Поэтому расчетные значения глубины протаивания более соответствуют величинам, установленным для территории вне населенных пунктов [3?13].
В последнее время достаточно активно обсуждается возможность влияния глобального потепления климата на криолитозону. Многолетние исследования Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН в Центральной Якутии показали, что, несмотря на значительное за последние годы повышение средней годовой температуры воздуха, глубина сезонного протаивания остается достаточно стабильной [14]. Например, по данным наблюдений в долине Туймаада с 1993 по 2009 гг положительного тренда глубины сезонного протаивания грунтов не установлено, хотя межгодовая изменчивость ее
4
8
3,5 м
\
V \ч мерзл грунт ые ы
ч \ч ч\
\ч \ > се; юннот алые г рунты \ \
ч ч \ N
: мер гру злые нты \ ч N 1Ч 2\
**
Рис. 3. Ход сезонного протаивания и последующего промерзания грунт ов на мет еостанции Чульман: 1 -1951 - 1958 гг.; 2 - 1959 - 1963 гг.
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
тал ые
грун ты
с езон номе рзлы е
галы е
рунт ы
Рис. 4. Ход сезонного промерзания и последующего протаивания грунт ов на мет еостанции Томмот.
величины находилась в пределах от -12,6 до +7,3% [14]. Довольно близкие данные получены на стационаре «Спасская падь», расположенном в 24 км к северо-западу от г. Якутска. Наблюдения на 12 площадках с 1998 по 2003 гг. показали, что изменение глубины сезонного протаивания грунтов в отдельные годы на естественных участках происходило в пределах от - 7 до +5%, а на вырубках и вблизи водоемов возрастало до - 11 ... + 19%. Кроме того, в большинстве случаев на завершающем этапе исследований мощность сезоннопротаива-ющего слоя не только не увеличивалась, но в некоторых случаях даже уменьшалась [15]. Поэтому нет никаких оснований предполагать, что в настоящее время глубина сезонного протаивания грунтов существенно изменилась по сравнению с ее величиной, полученной ранее по многолетним наблюдениям на метеостанциях и по другим источникам [1, 2, 6 - 13, 16].
Что касается сроков сезонного протаивания и промерзания грунтов, то достаточно точно их можно получить только по результатам многолетних измерений температуры почвы на метеостанциях до глубины 3,2 м. Для Южной Якутии такие данные опубликованы всего лишь по двум метеостанциям: Чульман и Томмот. Первая находится на территории развития многолетнемерзлых пород, вторая - в пределах талых. Поэтому ход сезонных
процессов протаивания (промерзания) грунтов в этих пунктах существенно отличается.
Сезонное протаивание грунтов в Чульмане обычно начинается в начале мая и достигает максимума в конце сентября - середине октября (см. рис. 3). В Томмоте протаивание сезонномерзлого слоя начинается в аналогичные сроки, однако завершается уже в последней декаде августа (рис. 4). После этого вплоть до октября, когда начинается очередной цикл сезонного промерзания ? протаивания, грунты будут талыми на всю глубину. Следует иметь в виду, что в Южной Якутии талики распространены, как правило, на сухих возвышенных участках, а мерзлота - в низинах.
Знание пределов изменения максимальной мощности сезоннопротаивающего слоя в регионе часто бывает недостаточным, так как иногда возникает необходимость выяснять глубину протаивания грунта в определенный момент летнего периода. Для этих целей обычно используются графики темпа сезонного протаивания и промерзания грунтов. Пользуясь ими, можно определить процент протаивания грунтов к определенной дате и вычислить абсолютную величину. Или, наоборот, по известной глубине в июне - августе определить максимальную величину протаивания грунтов. На участках распространения многолетнемерзлых пород темп про-
100
%
^ч
се !зоннотал ые грунть
мерзлые грунты
□ 2
Рис. 5. Темп сезонного протаивания грунт ов на участках, расположенных на высотах: 1 - до 400 м; 2 - 400 - 800 м; 3 - 800 1000 м; 4 -1000 -1250 м.
100
%
тал ые г эунты
се зонн >мерз лые г рунты
та лые г рунты 1 \
\
Рис. 6. Темп сезонного промерзания и последующего протаивания грунт ов на мет еостанции Томмот .
0,0
0
40
60
80
™ 1ÎS tfi
Рис. 7. Фрагмент Карты зон мощности сезоннопротаивающего слоя на т еррит ории Якут ской АССР: 1,0 - 2,0 - 4,0 - первая цифра для
т орфа, вт орая - для суглинка, третья -для песка [16].
таивания можно вычислить по результатам измерений температуры воздуха на всех метеостанциях региона (рис. 5). Для таликовых участков, из-за невозможности точно учесть влияние снежного покрова, темп сезоного промерзания грунтов можно получить только по данным измерения температуры грунтов до глубины 3,2 м на метеостанции Томмот (рис. 6).
Выше приведены средние значения глубины сезонного протаивания грунтов, вычисленные по результатам многолетних наблюдений за температурой воздуха и грунтов на метеорологических станциях региона. Однако в природе нередко наблюдаются и их экстремальные величины. Обобщив результаты непосредственных определений мощности сезоннопротаивающего слоя, П. А. Соловьёв установил, что на равнинах и плато наибольшая многолетняя глубина сезонного протаивания грунтов на участках без существенного влияния азональных факторов составляет для торфа 1 м, для суглинка - 2 м, для песка - 4 м (рис. 7) [16].
В заключение необходимо отметить, что максимальные значения мощности сезонноталого слоя, полученные расчетным путем (2,3 м для суглинков и 3,8 м для песков; см. пунктирные линии на рис. 2), достаточно близки к полученным П. А. Соловьёвым на основе анализа натурных наблюдений.
Лит ерат ура
1. Справочник по климат у СССР. Часть II. Темпера-т ура воздуха и почвы. Вып. 24: Якут ская АССР. - Л.: Гид-рометеоиздат, 1966. - 398 с.
2. Южная Якутия. Мерзлотно-гидрогеологические и инженерно-геологические условия Алданского горнопромышленного района II Под ред. В. А. Кудрявцева. -
Москва: Издательство Московского университет а, 1975. - 444 с.
3. Южная Якут ия - крат кий экскурс. -http://www.strana-yu-ya. narod. ru/index. files/Other/south-yakutiya-little-bit.html.
4. Комплексное развитие Южной Якутии. - Федеральный информационный портал SakhaNews. -http://www.1sn.ru/35218.html.
5. Эльгинское угольное мест орождение. Материал из Википедии - свободной энциклопедии. -http://ru.wikipedia.org/wiki/.
6. Заболотник С. И. Широтные и высотные закономерности сезонного протаивания грунтов в Якутии // Проблемы геокриологии. VII Международная конференция по мерзлотоведению, Канада, СзТ, Йеллоунайф, июнь 1998 г. Сборник докл. - Якут ск: Изд-во СО РАН, 1998. - С. 88 - 94.
7. Заболотник С. И. Величина глубины летнего оттаивания грунтов в различных зонах Якутии // Некрасов И. А. Вечная мерзлота Якутии. Якут ск: Кн. изд-во, 1984. - С. 31 - 32.
8. Заболотник С. И. Схематическая карта Якутии, на которой показаны зоны с различной глубиной летнего оттаивания грунтов // Некрасов И. А. Вечна ли вечная мерзлота? - М.: Недра, 1991. - С. 58 - 60.
9. Соловьёв П. А. Зональность мощности сезон-нопротаивающего слоя и картирование ее в Западной и Южной Якутии. // Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории Северо-Востока СССР. -Москва: Наука, 1966. - С. 14 -20.
10. Соловьёв П. А. Схема глубин протаивания в песках //Гидрогеология СССР. Том XX, Якутская АССР. -М.: Изд-во Недра, 1970. - С. 54.
11. Соловьев П. А. Мощность поверхностной сезон-номёрзлой т олщи на территории Якутии. // Гзокрио-логические и гидрогеологические исследования Якутии. - Якут ск: Инстит ут мерзлотоведения СО АН СССР, 1978. - С. 3 -12.
12. Соловьёв П. А. Многолетняя мерзлота (криолит озона). Масштаб 1:10 000 000 // Атлас сельского хозяйства Якут ской АССР. Москва: ГУГК СССР, 1989. ? С. 27.
13. Соловьёв П. А. Зональность распространения и мощности многолетней и сезонной криолитозоны // Мерзлотные ландшафты Якутии. Пояснительная записка к «Мерзлотно-ландшафтной карте Якут ской АССР» масшт аба 1:2 500 000) / Фёдоров А. Н., Бо-тулу Т. А., Варламов С. П. и др. - Новосибирск: ГУГК, 1989. - С. 18 - 25.
14. Варламов С. П., Скрябин П. Н., Скачков Ю. Б. Геотемпературный мониторинг грунтов долины Туйма-ада // Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якут ска. - Якут ск: ООО «Издательство Сфера», 2010. - С. 97-102.
15. Герасимов Е. Ю. Межгодовая изменчивость мощности сезонноталого слоя // «Спасская падь»: комплексные исследования мерзлотных ландшафт ов. -Якутск: Издательство Института мерзлотоведения СО РАН, 2006. - С. 100 -103.
16. Соловьёв П. А. Карта зон мощности сезонно-протаивающего слоя на территории Якутской АССР. Масштаб 1: 4 780 000 // Фонды Институт а мерзлотоведения СО РАН, 1978. -1 лист формат а 57,577,1 см.
