CC BY
161
Вестник ДВО РАН. 2014. № 5
УДК 553.97(571.56+571.65) В.Е. ГЛОТОВ, Л.П. ГЛОТОВА
Торфяные ресурсы Северо-Востока России: особенности распространения, формирования и перспективы хозяйственного использования
Показано, что торф Северо-Востока России относится к специфическому криогенному типу. Его возраст в арктическом ареале составляет до 37 тыс. лет, во внутриконтинентальном — до 10 тыс., в североохотомор-ском — до 6 тыс. лет. Своеобразные геохимические процессы торфогенеза связаны с сезонным промерзанием и оттаиванием. Соответственно, криогенный торф обладает комплексом потребительских свойств, которые определяют направления хозяйственного его использования.
Ключевые слова: Северо-Восток России, многолетнемерзлые породы, торф, возраст торфа, торфяная продукция.
Peat resources of the North-East Russia: features of distribution, formation and prospects for commercial use. V.E. GLOTOV, L.P. GLOTOVA (N.A. Shilo North-East Interdisciplinary Scientific Research Institute, FEB RAS, Magadan).
It is shown that the peat from the North-East Russia refers to a specific cryogenic type. Its age in Arctic habitat is up to 37 thousand years, in the inland — up to 10 thousand years and in the northern part of the Sea of Okhotsk area — up to 6 thousand years. The peculiar geochemical processes of the peat formation are associated with seasonal freezing and thawing. Accordingly, the cryogenic peat has a complex of consumer characteristics, which determine directions of its economic use.
Key words: North-East Russia, permafrost rocks, peat, peat age, peat products.
По общепринятым представлениям для образования и накопления торфа наиболее благоприятны равнины и широкие речные долины с малыми уклонами русла в районах с умеренным гумидным климатом. В соответствии с этими взглядами территория Северо-Востока России, расположенная в высоких широтах (севернее 58° с.ш.), омываемая холодными морями Тихого и Северного Ледовитого океанов, со среднегодовой температурой воздуха от -2,5 до -17,5 °С, коротким теплым периодом (4-5 мес.), повсеместным распространением многолетнемерзлых пород (ММП) и преимущественным развитием горного рельефа, к перспективным торфоносным регионам не относится. Тем не менее почти на 50 % площади региона (равной примерно 2 млн км2) распространены торфяные скопления. Их можно встретить на выположенных водоразделах, горных склонах, в пределах речных долин, межгорных впадин и на прибрежно-морских равнинах. Общие геологические запасы торфа здесь оценены нами в 2 млрд т, что приблизительно в 80 раз
*ГЛОТОВ Владимир Егорович - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, ГЛОТОВА Людмила Петровна - старший научный сотрудник (Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт им. Н.А. Шило ДВО РАН, Магадан). *E-mail: [email protected]
меньше запасов торфа в России. В настоящее время торфяные ресурсы Северо-Востока России не используются, но привлекают внимание специалистов как возможное сырье для создания новых для региона промышленных предприятий.
Цель работы - показать, что торфяные ресурсы Северо-Востока РФ - закономерное специфическое образование, связанное с глобальными изменениями климата в позднем плейстоцене-голоцене. Использование этих ресурсов экологически и экономически целесообразно.
Материалы для исследований получены при поисково-разведочных работах геологических партий бывшего Северо-Восточного территориального геологического управления (СВТГУ), цель которых состояла в обеспечении удобрением сельхозпредприятий, развивавшихся и успешно функционировавших в регионе в XX в. В этих и более поздних (2009-2012 гг.) работах авторы принимали непосредственное участие.
Торфяные месторождения региона
Факторы, определяющие специфику торфонакопления на Северо-Востоке РФ, можно разделить на климатические, мерзлотно-гидрогеологические и гидрологические.
Климатические факторы включают в себя длительный (200 дней и более) холодный период года со среднесуточной температурой воздуха ниже 0 °С; безморозный период длится от 164 дней на побережье Тауйской губы Охотского моря до 62 дней на побережье Восточно-Сибирского моря. В таких климатических условиях величина опада растений во всех экосистемах превышает скорость его разложения, что приводит к накоплению растительных веществ как на избыточно увлажненных, так и на дренируемых участках. На последних происходит процесс «сухого» торфонакопления [2]. Толщина слоя накопленного торфа в бассейне верхнего течения р. Колыма - от 26 см по лиственничным редколесьям на абсолютных отметках около 1000 м до 33 см на площади лишайниково-мохового аркто-лесья на абсолютных отметках около 900 м [10].
Мерзлотно-гидрогеологические факторы проявляются в том, что регионально распространенным, первым от поверхности водоупором служит толща ММП (криогенный водоупор). В теплое время года образуется сезонно-талый слой (СТС) мощностью от 0,3-0,5 м на площадях развития торфяников до 2-3 м в крупнообломочных породах на хорошо дренируемых участках. Средняя мощность СТС 1-1,5 м. Из-за небольшой глубины оттаивания на выположенных площадях уровень воды в СТС находится вблизи дневной поверхности, что служит причиной развития здесь растений-торфообразователей: мхов, трав, кустарничков. Питание подземных вод на таких участках осуществляется преимущественно за счет выпадения дождей, конденсации водяных паров атмосферы, таяния снежников на склонах, разлива рек. Подземные и поверхностные воды образуют гидравлически единую зону активного водообмена [3]. С началом холодного периода года питание подземных вод прекращается, СТС полностью пересыхает или перемерзает. Постоянно функционирующие родники, формирующие низинные болота во внемерзлотных районах, на Северо-Востоке РФ образуют наледи, которые губительны для растительности. Вместо скоплений торфа низинного типа здесь возникают наледные поляны, лишенные почвенно-растительного слоя.
Близкое к дневной поверхности расположение криогенного водоупора является причиной существования торфяных скоплений объемом до первых десятков тысяч кубических метров на горных склонах в местах перегиба от более пологого к крутому и на поверхности нагорных террас. Такое торфонакопление присуще участкам горных речных долин с выпуклым профилем. В этих долинах горные склоны от водораздела имеют уклоны не более 15-20°, а в нижней части - до 30-35°. При возрастании крутизны склонов мощность делювиального чехла резко сокращается вплоть до обнажения коренных пород. По этой причине в зоне перегиба возникает рассредоточенная разгрузка, благоприятствующая
произрастанию сфагновых и зеленых мхов. Склон заболачивается и покрывается торфяным ковром, который сползает к подножию, где его мощность может превышать 1 м. Таким путем образуется «висячий торфяник», сложенный моховым торфом малой раз-ложенности и зольности. «Висячие торфяники» свойственны только горным районам распространения ММП, так как во внемерзлотных уровни подземных вод находятся на большой глубине, и перегибы склонов не отражаются на уклоне водоносного горизонта, приуроченного к зоне выветривания горных пород.
Наиболее крупные скопления торфа, связанные с повсеместным распространением ММП, выявлены на равнинах и межгорных впадинах. В геологическом отношении они соответствуют осадочным бассейнам (ОБ) или грабен-долинам. Благоприятных условий для избыточного увлажнения и возникновения заболоченных площадей здесь много; чаще всего это самозарастающие днища спущенных термокарстовых озер. Обычно дно озера покрыто слоем ила (гиттия), понижения дна заполнены водой. Сама котловина служит местным очагом, концентрирующим сток подземных вод СТС. Постепенно котловина превращается в залежь слаборазложенного травяно-мохового, а затем и мохового торфа. Подобные скопления распространены в равнинах, приуроченных к Пенжино-Анадырской системе низин, Восточно-Сибирской равнине, Индигиро-Зырянской впадине и т.д.
Самозарастание термокарстовых озер распространено повсеместно. Этот процесс, например, привел к образованию обширного болота с мощностью торфа более 3 м у восточного окончания оз. Глухое в Нижне-Арманской впадине.
Достаточно часто аккумуляторами подземных вод СТС низин становятся понижения между моренными грядами, долины и полосы стока тундровых водотоков, являющихся очагами рассредоточенной разгрузки вод СТС.
Гидрологический фактор торфообразования. Поверхностный и подземный сток зоны активного водообмена проявлен преимущественно в теплое время года, когда основной источник питания - талые воды, стекающие в водотоки и водоемы при мерзлом состоянии СТС. По этой причине поверхностные и подземные воды ультрапресные, их минерализация приближается к минерализации дождевых и талых вод, которая обычно меньше 50 мг/дм3 [3]. Такая вода благоприятна для появления растительности олиготрофного вида: сфагновый и гипновый мох, пушица, шейхцерия, кустарниковые ивы, ольховник, реже березка, голубика. Древесной растительности очень мало, поэтому все разновидности торфа топяные. По характеру растений-торфообразователей торф Северо-Востока РФ можно отнести к верховому или переходному типам, по питанию торфяников подземными водами - к низинному. Зольность его часто менее 10 %, и только в случае загрязнения привнесенными минеральными частицами (эоловыми или аллювиальными) она возрастает до 25-30, реже 50 %. По нашему мнению, торф Северо-Востока России нельзя однозначно классифицировать как низинный, переходный или верховой. Это торф специфического криогенного типа, накопившийся в основном благодаря повсеместному развитию криогенного водоупора. Площади Магаданской области, благоприятные для формирования данного типа торфа, показаны на рисунке.
Репрезентативные месторождения торфа, сформировавшиеся с участием рассмотренных факторов, расположены в районах, прилегающих к Охотскому морю (долина р. Тауй, месторождение Открытое) и к внутриконтинентальному району в долине р. Колыма (Верхне-Сеймчанское месторождение).
Месторождение Открытое изучено А.Д. Зенько в 1988 г., повторно обследовано нами в 2010 г. По классической характеристике торфяных месторождений оно сложено торфом переходного типа [11]. Минеральное дно представлено мерзлыми супесями и тонкозернистыми песками с гравием и галькой. Растительность на площади месторождения кустарничково-сфагновая и кустарничково-пушициевая; бугры сложены сфагновыми мхами, между буграми преобладают гипновые мхи. Степень разложения торфа 10-50 %, средняя 27 %; зольность 2,7-45 %, средняя 9,5 %; средняя естественная влажность 79 %.
Схема торфоносности Магаданской области, в том числе площади: 1 - высокоперспективные для поисков крупных (более 1 млн т) месторождений торфа разного состава (поверхности межгорных впадин, грабены речных долин); 2 - перспективные для поисков средних (0,1-1 млн т) месторождений торфа (поверхности днищ речных долин, малых межгорных впадин); 3 - перспективные для поисков малых (менее 0,1 млн т) месторождений торфа разного состава (поверхности днищ речных долин, пологие горные склоны, плоские водоразделы); 4 - спорадического распространения скоплений мохового слаборазложенного торфа; 5 - месторождения (1 - Открытое, 2 - Верхне-Сеймчанское); 6 - основные автодороги
Балансовые запасы торфа-сырца - 13,7 млн м3, или 3,15 млн т сухого торфа при средней мощности 0,9 м.
Месторождение Верхне-Сеймчанское изучалось А.Д. Зенько в 1974-1975 и 1978 гг., повторно обследовано нами в 2010 г. На площади месторождения развит торф, представленный осоковым, сфагновым, осоково-сфагновым, гипновым видами с преобладанием первых двух. Степень разложения торфа изменяется в пределах 5-60 %, в среднем составляет 31 %. Зольность также меняется в широких пределах - 2-32,9 %, средняя 8,5 %. Средняя влажность составляет 85,6 % при колебаниях от 68,4 до 96 %. Балансовые запасы торфа-сырца - 14,9 млн м3, или 3,08 млн т сухого торфа при средней мощности 0,9 м.
Краткое описание репрезентативных месторождений торфа с запасами свыше 1 млн т показывает видовое разнообразие торфа даже в пределах одного месторождения. Обычно распространены торф моховый, травяно-моховый или травяной. В верхнем слое мощностью до 0,5-1 м торф малоразложенный подстилается торфом среднеразложенным. В основании залежей мощностью более 1,5 м часто залегает хорошо разложенный торф. Меняется и зольность торфа, хотя закономерностей ее связи с положением залежи относительно геоморфологических элементов не усматривается.
Возраст торфяников определен по результатам радиоуглеродных датировок [1]. В соответствии с ними наиболее древний торф сохранился на побережье Восточно-Сибирского моря. Так, в обнажении «Раучуанское» торф в интервале глубин 15,8-16,3 м имеет возраст
более 36 тыс. лет, что соответствует каргинскому межледниковью. Древний торф отобран и в обнажениях в бассейне р. Амгуэма (оз. Длинное, оз. Диких Оленей). Возраст торфа на глубине 2-3,5 м - более 37 тыс. лет. На древнем торфе залегает осоковый торф возрастом 5390 лет. В более южных районах (побережье зал. Креста) возраст наиболее древнего торфа 7650 лет, в обнажении Лорино - 8225 лет. В долине р. Майн (бассейн р. Анадырь) и в бассейне р. Малый Анюй возраст торфа - не более 9-9,5 тыс. лет. Примерно такой же он в основании торфяника на р. Малтан. Наиболее «молодые» торфяники - на побережье Охотского моря. Торфяник на глубине 2,64-2,69 м в бассейне р. Ола имеет возраст 6585 лет. Все остальные определения дают меньшие отметки. Например, возраст торфа из основания торфяной залежи у оз. Глухое в интервале 1,12-1,15 м составляет 5130 лет. По приведенным возрастным отметкам можно определить скорость накопления торфа, которая чаще всего не превышала 0,2-0,3 мм/год, изредка достигая 2-3 мм/год.
По нашему мнению, на Северо-Востоке России имеется три ареала торфообразования. наиболее древний (арктический) охватывает бассейн стока рек Чукотского моря и побережье Восточно-Сибирского моря; внутриконтинентальный - бассейны р. Колыма и рек Берингова моря (возраст торфяников в этом ареале сходен с их возрастом на территории Сибири и Дальнего Востока); североохотоморский ареал - наиболее позднего торфона-копления. Мы связываем данный факт с тем, что торфяники, заложенные в период кар-гинского межледниковья, смогли сохраниться до наших дней только в современных климатических условиях арктического побережья, которые относят к климату арктической пустыни и арктической тундры [7]. В других областях, в том числе в Западной Сибири, бассейне р. Амур, на Североохотоморском побережье, условия в течение всего верхнего плейстоцена способствовали разрушению, а не накоплению торфяников. В начале ранне-голоценовой оптимизации климата торфонакопление происходило во всех районах Сибири и Дальнего Востока, кроме североохотоморского. Последнее, по нашему мнению, связано с тем, что уровень моря 12-6 тыс. л. н. был все еще ниже современного на 20-30 м. На этих глубинах А.А. Аксенов в 1961 г. при бурении со льда в акватории Тауйской губы под слоем современных морских галечников мощностью 4-5 м вскрыл раннеголоценовые торфяники [12]. Относительно низкий базис эрозии способствовал хорошему дренированию приморской территории. Подъем уровня моря и, соответственно, повышение базиса эрозии обусловили уменьшение градиентов уровней природных вод, что привело к заболачиванию обширных территорий без существенных изменений климата.
Качественная характеристика и товарная ценность торфа
В любом случае торфяная залежь во всех районах промерзала сингенетично, по мере накопления торфа. В связи с этим необходимо найти объяснение достаточно высокому уровню его биохимического преобразования. В основании постоянно мерзлого торфяного слоя степень разложения максимальна, достигает местами 45 %, в то время как у подошвы слоя сезонного оттаивания чаще всего не превышает 25 %, обычно 5-10 %. Таким образом, сингенетично замерзает слаборазложенный торф, который со временем, будучи мерзлым, преобразуется в средне- и хорошо разложенный. Этот факт мы связываем с существованием малоизвестного процесса неполного окисления органических веществ в мерзлом состоянии. Данный процесс впервые выявил О.Б. Максимов, изучая причину резкого запаха уксуса в аркагалинских угольных шахтах [8]. Установлено, что при наличии в породах пленочных вод биохимические процессы могут происходить и при отрицательных температурах. При этом конечным продуктом окисления органического вещества будет не СО2 и Н2О, а комплекс промежуточных веществ - гуминовых кислот, так называемых регенерированных (РГК), и комплекс низкомолекулярных карбоновых кислот (муравьиная - СООН, уксусная - СН3СООН), ацетальдегид (СН3СНО) и др. [8]. Низкомолекулярные органические кислоты выявлены нами в мерзлом торфе в Анадырской впадине. При отсутствии фильтрующейся воды продукты окисления накапливаются
в торфе. Несмотря на замедленное течение реакций при температурах от 0 до -4,5-7 °С со временем в постоянно мерзлом торфе возрастает содержание гуминовых кислот и, соответственно, растет степень его разложенности.
При наличии РГК менее 20 % по массе торф является мало- и низкоразложенным, от 21 до 40 % - среднеразложенным, более 40 % - высокоразложенным. Часто этим показателем определяется направление использования торфа. Северо-восточный криогенный малоразложенный торф успешно применяли при изготовлении кормов для домашних животных, в качестве теплоизоляционных плит, подстилки для животных. Торф средней степени разложения применим для получения органо-минеральных удобрений, топлива; высокой степени разложения - как бальнеологическое средство, для получения торфяного воска и др. [6].
Образуемые гуминовые кислоты, а в их составе фульвокислоты, относятся к биологически активным веществам. Содержание их достигает 50 % от массы сухого торфа. Данные кислоты влияют на интенсивность жизненных процессов в растительных и животных организмах. По этой причине растворы кислот относятся к числу востребованных биологически активных добавок в животноводстве, птицеводстве и растениеводстве.
Битумы в торфах изучались нами при нефтегазопоисковых исследованиях. Установлено, что в торфах Хатырской и Нижне-Анадырской впадин концентрация битумов составляет 5,38-35,5 мг/кг. При этом заметно обогащение битумов осокой или пушицей (более 50 % в составе растений-торфообразователей), а также накопление битумов по мере увеличения степени разложения растений [5]. В битумной составляющей возрастает содержание стеранов, обладающих свойствами гормонов и витаминов и имеющих большое бальнеологическое значение. Накапливаются и воскообразные вещества. При разложении торфа происходит увеличение содержания флаванолов, обладающих капилляро-укрепляющим и антиоксидантным действием. Таким образом, хорошо разложенный торф приобретает свойства комплексного лечебного препарата.
Разнообразие свойств торфа связано не только с торфогенезом и последующими биохимическими процессами, но и с различиями фаций в пределах болота. Здесь существуют суходолы (возвышенности), мерзлотные бугры пучения, в том числе булгунняхи, полигональные грунты и повторно-жильные льды, сохраняются отдельные водотоки и водоемы. Данные фации различаются и условиями накопления растительного опада, видами доминирующих растений, режимом обводнения. Все это определяет сложность химического состава торфа, многочисленность направлений его использования.
Следует отметить, что до сих пор слабо изучены биогеохимические следствия газогеохимических годовых циклов в сезонно-талом слое торфяных скоплений, выявленных нами в 1992 г. [4]. В ходе указанных циклов происходит сезонная смена окислительной обстановки на восстановительную с соответствующей перестройкой всего комплекса биогеохимических реакций. Таким образом, собственно торфогенный процесс, при котором аэробные микроорганизмы разрушают клеточные стенки растений и межклеточное вещество с высвобождением целлюлозы, происходит только в летние месяцы. При промерзании в восстановительной среде более эффективны анаэробные бактерии, сбраживающие целлюлозу и разрушающие растительные волокна. По этой причине волокнистая структура заметна только в малоразложенном и практически исчезает в среднеразложенном «криогенном» торфе, преобразуясь в вещества битумного ряда. Это приводит к возрастанию теплотворной способности торфа криолитозоны по сравнению с торфом внемерзлотных районов. Например, теплота сгорания торфа Центрально-Колымского района в среднем 20-21 тыс. кДж/кг (примерно 5 тыс. ккал/кг), торфа центрально-европейского района -около 3,7 тыс. ккал/кг.
В целом по ряду качественных показателей торф криолитозоны превосходит торф вне-мерзлотных районов. Например, на Северо-Востоке России растительные клетки мхов окружены слоем пустых (без протоплазмы) клеток - гиалиновых, выполняющих теплозащитную роль. Эти клетки устойчивы к разложению, что определяет повышенные
сорбционные и теплоизоляционные свойства моховых и травяно-моховых торфов. Из-за малого содержания солей в природных водах растительная масса в растениях малозольна, что в сочетании с повышенным количеством низкомолекулярных органических кислот придает торфу антисептические свойства. Можно предполагать, что криогенный моховый торф будет перспективен для получения углеродных нанотрубок по способу ИВЭП ДВО РАН [9, 13].
Заключение
Таким образом, Северо-Восток России обладает скоплениями криогенного торфа, сформировавшимися в основном в голоцене благодаря повсеместному распространению криогенного водоупора - толщи многолетнемерзлых пород. Торфообразовательные процессы в регионе специфичны. Они осуществляются не только в сезонно-талом торфоген-ном слое, но и в многолетнемерзлом состоянии за счет окисления органического вещества при дефиците кислорода и капельно-жидкой воды. При этом происходит накопление регенерированных гуминовых и низкомолекулярных органических кислот, веществ битумного ряда. Степень разложенности торфа возрастает. Криогенный торф по составу и величине разложенности может служить исходным ресурсом для производства широкого спектра продукции.
Добыча и переработка криогенного торфа сопровождаются минимальными экологическими потерями, так как природные воды торфяных месторождений по составу не отличаются от речных и озерных; в дымовых выбросах будут отсутствовать сернистые и азотистые соединения, токсичные органические примеси. От сжигания топливных брикетов остается зола, пригодная для производства удобрений.
Важно, что отработанные торфяные месторождения, как показали наши работы, самовосстанавливаются, причем со скоростью, сопоставимой с таковой при самовосстановлении вырубленных лесных массивов. Следовательно, с позиции геоэкологии становление торфяной промышленности в малоосвоенных районах Северо-Востока РФ, в том числе в Магаданской области, будет сопровождаться минимальными экологическими потерями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андерсон П.М., Ложкин А.В. Позднечетвертичные растительность и климаты Сибири и российского Дальнего Востока (палинологическая и радиоуглеродная база данных). Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2002. 369 с.
2. Берман Д.И., Игнатенко И.В., Пугачев А.А. О торфонакоплении в интенсивно-дренируемых почвах Крайнего Северо-Востока СССР // Биологический круговорот в тундролесьях юга Магаданской области. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1972. С. 134-135.
3. Гидрогеология СССР Т. 26. Северо-Восток СССР М.: Недра, 1972. 297 с.
4. Глотов В.Е. Газогеохимическая цикличность в сезонно-талом слое низменностей криолитозоны // Докл. АН СССР. 1992. Т. 325, № 1. С. 150-152.
5. Глотов В.Е., Щербань О.В. Новые данные о физико-химических свойствах почв Анадырской и Хатырской низменностей (Северо-Восток СССР) // Теория почвенного криогенеза: тез. докл. V Всесоюз. конф. (Пущино, 5-10 февр. 1989 г.). Пущино: НЦ АН СССР, 1989. С. 67-68.
6. Глотов В.Е., Глотова Л.П., Пугачев А.А. Торф Северо-Востока России. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2003. 147 с.
7. Клюкин Н.К. Общие сведения о климате // Прикладной климатический справочник Северо-Востока СССР. Магадан: Кн. изд-во, 1960. С. 27-78.
8. Максимов О.Б. О выветривании аркагалинских углей // Колыма. 1948. № 2/3. С. 3-37.
9. Онищенко Д.В., Рева В.П., Чаков В.В., Воронов Б.А. Формирование многостенных нанотрубок в результате механической активизации аморфного углерода // Докл. АН. 2012. Т. 447, № 4. С. 1-3.
10. Пугачев А.А. Почвенно-биологические процессы, структура и динамика растительной массы в болотах // Торф Северо-Востока России. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2003. С. 22-32.
11. Справочник по торфу / под ред. А.В. Лазарева и С.С. Корчунова. М.: Недра, 1982. 760 с.
12. Тихий океан. Т. 4. Берега Тихого океана. М.: Наука, 1967. 378 с.
13. Чаков В.В. Особенности размещения и характеристика отложений сфагнового торфа на территории Нижнего Приамурья // Тихоокеан. геология. 2012. Т. 31, № 12. С. 87-93.
