CC BY
16
УДК 50.361
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-74-80
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ОБЪЕКТАХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ДЕЛЬТЕ РЕКИ ЛЕНЫ
Дмитрий Евгеньевич Аюнов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-03-99, e-mail: АyunovDE@ipgg.sbras.ru
Леонид Валерьевич Цибизов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: TsibizovLV@ipgg.sbras.ru.
Сергей Алексеевич Казанцев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru.
Выявляются особенности годовых температурных вариаций в активном слое (сезонного промерзания-протаивания) участков, приуроченных к аласу и береговому уступу дельты р. Лены. Сопоставляются температурные разрезы слоя сезонных вариаций температуры на территории научно-исследовательской станции (НИС) «о. Самойловский» и в аласе (термокарстовой депрессии) о. Курунгнах.
Ключевые слова: температурный мониторинг, активный слой, Арктика, многолетне-мерзлые отложения, мерзлота, алас, ледовый комплекс, дельта р. Лены.
TEMPERATURE PROCESSES IN OBJECTS OF UPPER PERMAFROST OF LENA RIVER DELTA
Dmitry E. Ayunov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik
Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)333-03-99, e-mail: АyunovDE@ipgg.sbras.ru
Leonid V. Tsibizov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)330-03-99, e-mail: TsibizovLV@ipgg.sbras.ru
Sergey A. Kazantsev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru
The features of the annual temperature variations in the active layer of the sites confined to the alas and the coastal ledge of the delta are identified. Lena. Temperature profiles of the layer of seasonal temperature variations are compared on the territory of the science station «Samoilovsky» and in the alas on Kurungnah island.
Key words: temperature monitoring, active layer, Arctic, pеrmafrost, alas, ice complex, delta of Lena river.
Геотермические исследования проводятся в рамках комплексных геолого-геофизических исследований ИНГГ СО РАН на арктической НИС «о. Самой-ловский» [Ельцов и др., 2015; Fague et а1., 2016]. Основной группой задач температурных исследований в дельте р. Лены являлось установление характеристик годовых вариаций температуры верхней толщи многолетнемерзлых пород (ММП), определение направленности тепловых процессов в мерзлоте исследуемого района, выявление влияния отдельных морфологических структур на локальные процессы деградации или стабилизации мерзлоты.
Для установки длительных температурных наблюдений использовалась Автономная станция температурного мониторинга (АСТМ), разработанная в ИНГГ СО РАН [Казанцев, Дучков, 2008]. В качестве датчиков температуры в составе станции выбраны датчики DC18B20 (сертифицированные на территории России как средства измерения) со скорректированной градуировкой, позволяющей значительно повысить точность, заявленную производителем, до 0.1 оС. Мониторинг активного слоя осуществлялся системой из десяти датчиков, расположенных до глубины 100 см на кабеле КГ-ХЛ.
Мониторинг активного слоя на о. Курунгнах
Предшествующие исследования немецких коллег 1998-2011 гг. в районе [Boike et а1., 2013] свидетельствуют, что сезонное оттаивание активного слоя начинается в начале-середине июня, к концу августа и середине сентября достигая максимума в среднем до глубины 49 см: «сухая тундра» оттаивает до 79 см, а «влажная» - до 61 см. При этом отмечается, что при обратном процессе замораживания оттаявшего слоя последней требуется больше времени на 14 дней, чем для первой.
В рамках комплексных исследований верхнего слоя мерзлоты региона [Tsibizov et а1., 2016; Tsibizov, Rusalimova, 2017], с целью выявления особенностей процессов в активном слое в зависимости от различных геоморфологических условий, в 2016 г. на о. Курунгнах была расставлена сеть пунктов малоглубинного температурного мониторинга.
Первым объектом являлся алас на юге острова, примыкающий к оз. Удачное. Здесь были установлены три станции: на дне аласа, на склоне и «фоновая», за пределами аласа (см. рис. 1, слева). По глубине протаивания, следуя описаниям Boike, можно сказать, что эти участки тундры демонстрируют поведение «сухой тундры». Наиболее сухой участок за пределами аласа, окруженный отрицательными формами рельефа, характеризуется максимальной глубиной про-таивания до 72 см во второй половине августа. В то же время, максимум глубины оттаивания достигает 62 см и 63 см в пунктах «с2» и «с3» соответственно (рис. 2). Глубина сезонного протаивания в последнем пункте вызывает некоторое удивление, поскольку дно аласа следует отнести к «влажной тундре», где следовало бы ожидать относительно более низкую глубину сезонного протаи-вания по сравнению с «сухим» склоном и «фоновым» участком.
Рис. 1. Пункты температурного мониторинга на о Курунгнах:
слева - алас; справа - ледовый комплекс (желтая линия - положение берегового
уступа в 2016 г.)
Накопление на южном склоне аласа значительной массы снега значительно повышает температуру погребенной поверхности в зимний период до -12 градусов, тогда как температуры поверхности в пунктах «с1» и «с3» опускаются до температуры воздуха. Массы снега на склоне сдвигают время начала сезонного оттаивания, в 2017 г. - до второй половины июля, тогда как в двух других пунктах оттаивание началось в начале месяца.
Температурные наблюдения 2017 г. с момента начала сезонного промерзания в начале сентября показывают наличие погруженного талого слоя (рис. 2), существующего более 20 дней до момента его полного промерзания. По наблюдениям, на этих трех пунктах соединение нижней мерзлоты и области промерзания сверху произошло на глубине около 50 см в конце сентября. Какими факторами обусловлено наличие такого эффекта на одних участках и одновременное отсутствие на других (например, в пунктах «с4» и «с5») еще предстоит установить.
Месяцы, август 2016 г - июль 2017 г.
Рис. 2. Годовые вариации температуры в метровом слое района аласа о. Курунгнах: с1 - дно аласа; с2 - склон аласа; с3 - участок тундры вне аласа (см. рис. 1, слева)
Вторым объектом являлся ледовый комплекс на о. Курунгнах. Были установлены две малоглубинные температурные станции на расстоянии 25 и 100 м от берегового уступа (пункты «с4» и «с5» на рис. 1, справа) с целью выявления его влияния на прилегающую толщу мерзлоты. В целом, не выявляется каких-либо существенных различий в годовом температурном режиме удаленного от берегового уступа пункта (100 м) и непосредственно прилегающего к нему (25 м). Различие проявляется в глубине максимального протаивания: 52 см и 45 см для «с5» и «с4», соответственно. Как уже говорилось, на этом участке не наблюдается описанного эффекта погруженного талого слоя, как в пунктах «с1», «с2» и «с3» на аласе.
Рис. 3. Годовые вариации температуры в метровом слое в районе ледового комплекса о. Курунгнах:
с4 - пункт наблюдений в 25 м от берегового уступа; с5 - в 100 м от берегового уступа (см. рис. 1, справа)
Слой сезонных вариаций
Предшествующие измерения на о. Самойсловский [Boike et а1., 2013] с 2006 по 2011 г. фиксировали среднегодовую температуру: в активном слое (на глубине 3 см) 8,4 оС, на 10,7 м - -8,6 оС и -8,9 оС на глубине 27 м. Здесь слой сезонных вариаций составляет около 20 м. На этой глубине годовые изменения температуры составляют не более 0,1 оС. За рассмотренный шестилетний период до 2011 г. наблюдался рост среднегодовой температуры: на 1,3 оС на глубине 10,7 м, на 0,4 оС - для 20,7 м.
Мониторинг температуры в двух скважинах на о. Самойловском и в аласе о. Курунгнах в 2015 г. (пункт «с0» на рис. 1, слева). позволяют сравнить эти данные. Видно значительное различие в тепловом состоянии двух разрезов (рис. 4.). Полученные данные за период май-август, к примеру, показывают проникновение зимней изотермы -8,5 оС до глубины 11,3 м, тогда как на терри-
тории НИС это значение составило 5,7 м (для изотермы -9,0 оС эти глубины равны 8,4 и 4,8 м соответственно). При этом массив ММП о. Самойловский в целом холоднее, чем в аласе на о. Курунгнах: на 20 м разница составляет полградуса (соответственно -8,7 и -8,2 оС).
Ст. "о. Самойловский"
Алас на о. Курунгнах
август май
август
-ю
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13
Н
о §
а
р?
О
Рис. 4. Температуры слоя сезонных вариаций за весенне-летний период 2015 г. на территории НИС «о. Самойловский» и в аласе о. Курунгнах
После строительства НИС «о. Самойловский» в 2011-2012 гг. скважина, где велись многолетние температурные наблюдения немецкими исследователями, оказалась непосредственно на территории, где располагаются хозяйственные объекты станции. «Недостаточное» промораживание верхней толщи ММП на территории НИС может объясняться тем, что в зимний период постройки, выдающиеся на фоне относительно плоского рельефа тундры, способствуют аккумулированию вокруг себя значительной массы снега, выступающего в зимний период теплоизолятором. Вследствие этого нарушается тепловое равновесие, типичное для открытых ровных участков тундры региона. Если на открытых участках ровной полигональной тундры (полигональная трещинова-тость) мощность снежного покрова достигает 40-50 см в центре полигонов и 0-10 см на их краях [Boike et а1., 2008], то на участках, прилегающих к станции, мощность снежного покрова к концу холодного периода составляет более 1 м.
Мы продолжаем наблюдать постепенное повышение температуры верхней толщи ММП. Зимняя изотерма -8,5 оС, идущая от поверхности, не сливается с нижней изотермой -8,5 оС, характеризующей нижнюю границу зоны сезонных вариаций температуры, т. е. летний тепловой «импульс» прогревает толщу ММП сильнее, чем ее охлаждает зимнее промораживание. Таким образом, к наблюдаемому за 2006-2011 гг. росту температур в скважине на о. Самойлов-ском, обусловленному естественными процессами, с 2012 г. добавляется антропогенный фактор. Нарушения теплового равновесия в первых метрах мерзлоты в районе станции фиксируются и другими методами [Фадеев и др., 2015]. Совокупность факторов - значительный снежный покров возле станции, значительное количество талой влаги, а также прогрев поверхности грунта теплым воздухом из генераторного блока, - вызывает опасность возможной необратимой деградации грунта непосредственно на территории НИС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ельцов И. Н., Каширцев В. А., Аюнов Д. Е., Фаге А. Н., Цибизов Л. В., Фадеев Д. И. Комплексные геолого-геофизические исследования на арктической научной станции НИС о. Самойловский в дельте р. Лена // Научный вестник Ямало-Ненецкого автономного округа. -2015. - № 2. - С. 39-44.
2. Fague A. N., Fadeev D. I., Yeltsov I. N., Kashirtsev V. A., Ayunov D. E., Tsibizov L. V. Electrical resistivity tomography in Polar Regions, feld data and high performance GPU-based 3D numerical modeling // XI. International Conference on Permafrost. Exploring Permafrost in a Future Earth (Potsdam, Germany, 20-24 June 2016): Book of Abstracts. - 2016. - С. 943-943.
3. Казанцев С. А., Дучков А. Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения: материалы междунар. конф. - Тюмень : Институт криосферы Земли СО РАН, 2008. - С. 236-239.
4. Казанцев С. А. Повышение точности цифровых датчиков температуры DS18B20 // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 79-81.
5. Tsibizov L., Ayunov D., Semakov N., Dyadkov P., Pavlova D. Magnetic studies in Lena river delta: the results of 2014-2015 fieldworks and future plans // XI. International Conference on Permafrost. Exploring Permafrost in a Future Earth (Potsdam, Germany, 20-24 June 2016): Book of Abstracts. - 2016. - С. 969-969.
6. Tsibizov L., Rusalimova O. Magnetic imaging of the Kurungnakh Island ice complex upper layer structure, Lena Delta, Russia // Near Surface Geophysics. - 2017. - Т. 15. - № 5. -С. 527-532.
7. Boike J., Kattenstroth B., Abramova K. et al. Baseline characteristics of climate, permafrost, and land cover from a new permafrost observatory in the Lena River Delta, Siberia (1998-2011) // Biogeosciences. - 2013. - Vol. 10. - P. 2105-2128. doi:10.5194/bg-10-2105-2013.
8. Boike, J., Wille, C., and Abnizova, A.: Climatology and summer energy and water balance of polygonal tundra in the Lena River Delta, Siberia, J. Geophys. Res., 113, 03025, doi:10.1029/2007JG000540, 2008.
9. Фадеев Д. И., Аюнов Д. Е., Ельцов И. Н., Каширцев В. А., Фаге А. Н., Цибизов Л. В. Изучение влияния антропогенного воздействия на первые метры разрезов Арктической зоны [Электронный ресурс] // Geophysics 2015: 11th EAGE International Scientific and Practical
Conference and Exhibition on Engineering and Mining Geophysics (Gelendzhik; Russian Federation; 20-24 April 2015). - 2015. - С. 27.
REFERENCES
1. El'cov I. N., Kashircev V. A., Ayunov D. E., Fage A. N., Cibizov L. V., Fadeev D. I. Kompleksnye geologo-geofizicheskie issledovaniya na arkticheskoj nauchnoj stancii NIS o. Samojlovskij v del'te r. Lena // Nauchnyj vestnik Yamalo-Neneckogo avtonomnogo okruga. -2015. - № 2. - S. 39-44.
2. Fague A. N., Fadeev D. I., Yeltsov I. N., Kashirtsev V. A., Ayunov D. E., Tsibizov L. V. Electrical resistivity tomography in Polar Regions, feld data and high performance GPU-based 3D numerical modeling // XI. International Conference on Permafrost. Exploring Permafrost in a Future Earth (Potsdam, Germany, 20-24 June 2016): Book of Abstracts. - 2016. - S. 943-943.
3. Kazancev S. A., Duchkov A. D. Apparatura dlya monitoringa temperatury i izmereniya teplofizicheskih svojstv merzlyh i talyh porod // Kriogennye resursy polyarnyh i gornyh regionov. Sostoyanie i perspektivy inzhenernogo merzlotovedeniya: materialy mezhdunar. konf. - Tyumen': Institut kriosfery Zemli SO RAN, 2008. - S. 236-239.
4. Kazancev S. A. Povyshenie tochnosti cifrovyh datchikov temperatury DS18B20 // Interekspo GE0-Sibir'-2015. XI Mezhdunar. nauch. kongr. (g. Novosibirsk, 13-25 aprelya 2015 g.): Mezhdunar. nauch. konf. \"Nedropol'zovanie. Gornoe delo. Napravleniya i tekhnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh. Geoekologiya\": Sb. materialov v 3 t. -2015. - T. 2. - S. 79-81.
5. Tsibizov L., Ayunov D., Semakov N., Dyadkov P., Pavlova D. Magnetic studies in Lena river delta: the results of 2014-2015 fieldworks and future plans // XI International Conference on Permafrost. Exploring Permafrost in a Future Earth (Potsdam, Germany, 20-24 June 2016): Book of Abstracts. - 2016. - S. 969-969.
6. Tsibizov L., Rusalimova O. Magnetic imaging of the Kurungnakh Island ice complex upper layer structure, Lena Delta, Russia // Near Surface Geophysics. - 2017. - T. 15. - № 5. -S. 527-532.
7. Boike J., Kattenstroth B., Abramova K. et al. Baseline characteristics of climate, permafrost, and land cover from a new permafrost observatory in the Lena River Delta, Siberia (1998-2011) // Biogeosciences. - 2013. - Vol. 10. - P. 2105-2128. doi:10.5194/bg-10-2105-2013.
8. Boike, J., Wille, C., and Abnizova, A.: Climatology and summer energy and water balance of polygonal tundra in the Lena River Delta, Siberia, J. Geophys. Res., 113, 03025, doi:10.1029/2007JG000540, 2008.
9. Fadeev D. I., Ayunov D. E., El'cov I. N., Kashircev V. A., Fage A. N., Cibizov L. V. Izuchenie vliyaniya antropogennogo vozdejstviya na pervye metry razrezov Arkticheskoj zony [Elektronnyj resurs] // Geophysics 2015: 11th EAGE International Scientific and Practical Conference and Exhibition on Engineering and Mining Geophysics (Gelendzhik; Russian Federation; 20-24 April 2015). - 2015. - S. 27.
© Д. Е. Аюнов, Л. В. Цибизов, С. А. Казанцев, 2018
