Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Рельефообразующая деятельность морских льдов
ВАК РФ 25.00.25, Геоморфология и эволюционная география
Автореферат диссертации по теме "Рельефообразующая деятельность морских льдов"
На правах рукописи
ОГОРОДОВ Станислав Анатольевич
РЕЛЬЕФООБРАЗУЮЩАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРСКИХ ЛЬДОВ
25.00.25 - геоморфология и эволюционная география
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
2 7 ФЕВ 2ОМ
Москва-2014
005545434
005545434
Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера географического факультета федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»
Научный консультант:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Марченко Алексей Валерьевич - доктор физико-математических наук, профессор, Государственный океанографический институт имени Н.Н.Зубова Росгидромета, ведущий научный сотрудник
Большиянов Дмитрий Юрьевич — доктор географических наук, Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт Росгидромета, ведущий научный сотрудник
Разумов Сергей Олегович - доктор географических наук, Институт мерзлотоведения имени П.И.Мельникова СО РАН, главный научный сотрудник
Бухарицин Петр Иванович — доктор географических наук, профессор, Институт водных проблем РАН, ведущий научный сотрудник
Институт океанологии имени П.П.Ширшова РАН
Защита состоится «22» мая 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криолитологии Земли, картографии (Д-501.001.61) в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу Москва, Ленинские горы 1, МГУ, географический факультет, ауд. 2109.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А8.
Автореферат размещён на сайте географического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru).
Автореферат разослан февраля 2014 г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы 1, МГУ, географический ф-т, ученому секретарю диссертационного совета Д-501.001.61 Факс (495) 932-88-36, E-mail: malyn2006@yandex.ru
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, доцент
А.Л. Шныпарков
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Морские льды как зональный фактор играют важную роль в динамике рельефа прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей. Существующие режимно-климатические данные по морским льдам не дают представления о динамике рельефа и используются в основном для обеспечения судоходства в Арктике. Расширяющееся освоение месторождений и строительство различных объектов нефтегазовой отрасли (подходные каналы, резервуарньте парки, терминалы, буровые платформы, подводные трубопроводы и кабели связи) как на берегах, так и на шельфе требуют нового уровня знаний о влиянии морских льдов на динамику рельефа берегов и дна. При проектировании подводных трубопроводов и кабелей связи в арктических и других замерзающих морях необходимы достоверные оценки интенсивности воздействий ледяных торосистых образований на дно и глубины их внедрения в грунт. Недооценка величин экзарации дна может привести к повреждению инженерных сооружений, в тоже время излишнее заглубление объектов сильно удорожает их строительство.
В настоящее время, когда в связи с активизацией ресурсной деятельности в Арктике и на Дальнем Востоке слова Михаила Васильевича Ломоносова «...Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном...» как никогда актуальны и воплощаются в жизнь, вопрос оценки интенсивности воздействий льдов на берега и дно приобретает все большую практическую ценность и значимость. Именно фактор ледовых воздействий может стать лимитирующим для строительства инженерных сооружений в береговой зоне. Недостаточный учет ледового фактора может обернуться не только значительными материальными потерями, свести «на нет» рентабельность добычи сырья, но и в ряде случаев привести к катастрофическим экологическим последствиям.
Имеющаяся в настоящее время нормативная база по методам исследований воздействий ледяных образований (торосов и стамух) ограничивается несколькими абзацами в разделе «Литодинамические исследования» Строительных Норм и Правил (СП 11-114-2004) и не удовлетворяет современные потребности развития науки и техники. Нормативные значения заглубления линейных инженерных сооружений в береговой зоне замерзающих морей не разработаны вообще.
Таким образом, актуальность исследования определяется, с одной стороны, необходимостью развития фундаментальных основ данного научного направления, с другой - потенциальной значимостью в связи с необходимостью обеспечения геоэкологической безопасности при строительстве и эксплуатации
промышленных объектов в прибрежно-шельфовой зоне арктических и других замерзающих морей России.
Объектом исследования является прибрежно-шельфовая зона замерзающего моря. Прибрежно-шельфовая зона моря как область взаимодействия литосферы, гидросферы и атмосферы, отличается исключительно высокой динамичностью. Одним из важнейших факторов динамики этой зоны являются морские льды. Морские льды способны оказывать как прямое механическое, термическое и физико-химическое воздействие на берега и дно, так и ограничивать воздействие других факторов, ответственных за динамику прибрежно-шельфовой зоны, например, волн и течений. Совокупность процессов и явлений, определяющих роль морских льдов в динамике рельефа прибрежно-шельфовой зоны, составляет предмет настоящего исследования. Основное внимание в работе отдано механическим воздействиям морских льдов, приводящим к наиболее заметным изменениям рельефа прибрежно-шельфовой зоны.
Цель и задачи исследования. Цель работы - дать качественную и количественную характеристику рельефообразующей деятельности морских льдов как фактора динамики прибрежно-шельфовой зоны арктических и других замерзающих морей.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие частные задачи:
- собраны, обработаны и обобщены материалы отечественных и зарубежных исследований воздействий морских льдов на берега и дно замерзающих морей;
- проведена типизация видов воздействий морских льдов на берега и дно;
- выполнено описание морфологических и морфометрических признаков форм и микроформ рельефа, образовавшихся в результате динамических воздействий морских льдов в прибрежно-шельфовой зоне арктических и других замерзающих морей;
- для типичной мелководной акватории замерзающего моря получены количественные оценки предельных глубин экзарации дна и берегов ледяными торосистыми образованиями (торосами, стамухами, несяками);
- выполнены оценки сохранности форм ледово-экзарационного рельефа и интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно мелководной замерзающей акватории в зависимости от глубины моря, рельефа дна и транспорта наносов в береговой зоне;
- составлена схема районирования прибрежно-шельфовой зоны типичного замерзающего моря по видам и интенсивности рельефообразующих воздействий морских льдов;
- определены факторы региональной дифференциации интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно;
- выполнены оценки влияния изменений климата на интенсивность экзарации дна ледяными образованиями;
- выполнены оценки влияния изменений климата и ледовитости арктических морей на динамику берегов;
- разработана технология оценки интенсивности воздействий ледяных образований на берега и дно замерзающих морей.
Теоретические основы исследования и личный вклад автора.
Диссертация выполнена в научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова в тесном сотрудничестве с Отделом прикладных морских и водохозяйственных исследований и изысканий Государственного океанографического института имени H.H. Зубова.
В основу диссертации положен обширный фактический материал, собранный в рамках работ, в которых автор являлся руководителем и ответственным исполнителем, в том числе по проектам Министерства образования и науки РФ: г/к № 02.442.11.7518 «Роль морских льдов в динамике берегов и дна арктических морей» и г/к № 02.442.11.7193 «Динамика берегов западного сектора арктических морей России в условиях глобальных климатических изменений и локальных техногенных нарушений» ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы; г/к № П1739 «Воздействия морских льдов на берега, дно и гидротехнические сооружения в прибрежно-шельфовой зоне Российской Арктики», г/к № П2393 «Абразия берегов и экзарация дна ледяными образованиями как факторы риска возникновения природных и техногенных катастроф в прибрежно-шельфовой зоне морей России», г/к № П1099 «Экзарация дна Северного Каспия ледяными торосистыми образованиями», г/к 14.740.11.0295 «Прогноз динамики берегов, сложенных дисперсными многолетнемерзлыми породами, в условиях изменения климата и ледовитости арктических морей в XXI веке», соглашение № 8508 «Воздействия ледяных образований на дно морей Российской Арктики: анализ натурных наблюдений и моделирование» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы; грантам РФФИ № 05-05-64258 «Роль морских льдов в динамике рельефа береговой зоны», РФФИ-ОФИ № 0705-12072 «Разработка технологии оценки интенсивности динамических воздействий морских льдов на берега, дно и подводные инженерные сооружения».
Кроме того, большой объем натурного фактического материала получен лично автором во время многолетних экспедиционных исследований и
изысканий на Белом, Баренцевом, Печорском, Карском, Охотском и Каспийском морях, проводившихся в связи с проектированием различных инженерных сооружений, прежде всего, подводных трубопроводов и кабелей связи. Дополнительно использовано большое количество, в основном зарубежных, литературных источников и открытых фондовых материалов Лаборатории геоэкологии Севера географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, ФГБУ ГОИН, ВНИГМИ МЦЦ, АМИГЭ, ВНИИОкеангеология, ВНИИГАЗ и ААНИИ, а также данные из сети Интернет.
Научная новизна диссертационной работы заключается в существенном развитии и систематизации существующих представлений о рельефообразующей деятельности морских льдов, в том числе:
- составлена полная классификация видов воздействий морских льдов на берега и дно;
- сформулировано представление об интенсивности экзарации и степени сохранности ледово-экзарационных микроформ в рельефе дна;
- определена роль морских льдов как одного из наиболее значимых факторов формирования и динамики рельефа прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей;
- определены факторы локальной и региональной дифференциации интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно;
- предложена новая схема районирования прибрежно-шельфовой зоны типичного замерзающего моря по видам и интенсивности воздействий ледяных торосистых образований;
- проведена интегральная оценка и выполнено ранжирование арктических морей по интенсивности ледово-экзарационных воздействий морских льдов;
- выполнена оценка влияния изменений климата на рельефообразующую деятельность морских льдов.
Важнейшие результаты диссертационной работы сформулированы в виде защищаемых положений:
1. Воздействия морских льдов на берега и дно можно разделить на две группы: (1) косвенное - выражается в защитной роли припая и дрейфующих льдов от волн и приливов; (2) прямое, включающее экзарацию берегов и дна; транспорт наносов морскими льдами; местный размыв дна, обусловленный особенностями ледовых условий; формирование мерзлых пород в контактной зоне лед-дно. Среди этих процессов наиболее опасным является экзарация -деструктивное механическое воздействие льдов на грунт, связанное с динамикой ледяного покрова, торошением и стамухообразованием под влиянием гидрометеорологических факторов и рельефа прибрежно-шельфовой зоны.
2. В прибрежно-шельфовой зоне большинства арктических морей деятельность морских льдов, как агента рельефообразования, по своим масштабам сопоставима с волнением и приливами. Параметры форм рельефа, созданных под воздействием морских льдов, могут достигать по глубине -первых метров, по ширине - первых десятков метров, по протяженности -нескольких километров, а объемы транспорта наносов на отдельных участках профиля подводного склона сопоставимы или превышают объемы наносов, перемещаемых под действием волн и течений. Таким образом, в арктических морях внешнюю границу береговой зоны целесообразно проводить на глубине, начиная с которой прекращается волновая переработка ледово-экзарационных форм, а ледово-экзарационный микрорельеф становится доминирующим.
3. Интенсивность экзарации дна определяется ледовыми условиями, глубиной акватории и геоморфологией дна. Наибольшие интенсивность и глубина экзарации дна приурочены к области дрейфующих льдов, тяготеющей к кромке припая, где в течение всего холодного сезона происходят торошения и вдоль которой осуществляется дрейф ледяных полей с вмерзшими в них торосистыми образованиями, достигающими дна. С увеличением глубины моря вероятность образования и встречи тороса, килем достигающего дна, падает, вследствие чего уменьшается число актов пропашки. В пределах припая динамические воздействия морских льдов на дно ограничены его слабой подвижностью и локализованы вокруг стамух и гряд торосов, «сидящих» на подводных береговых валах.
4. Встречаемость и глубина борозд выпахивания характеризуют сохранность ледово-экзарационного микрорельефа, которая зависит как от давности акта пропашки, так и интенсивности развития литодинамических процессов. Благодаря низким скоростям седиментации на больших глубинах происходит «накопление» ледово-экзарационных форм, в то же время, в области волновых деформаций такие формы достаточно быстро перерабатываются. Кроме того, сразу после пропашки дна килем тороса имеет место частичное заполнение борозд в результате обрушения бортиков обваловки. Таким образом, для оценки максимальной глубины внедрения киля тороса в грунт и вероятностного определения частоты актов пропашки соответствующей глубины, характеристик встречаемости и глубины борозд недостаточно.
5. Региональная дифференциация интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно, включая интервал глубин зоны наиболее интенсивной экзарации, предельную глубину моря, до которой возможно воздействие килей торосов на дно, и максимальную глубину их внедрения в грунт, определяется геоморфологическим строением прибрежно-шельфовой зоны, суровостью климата и системой циркуляции морских вод и льдов. Именно она отвечает за пространственно-временное перераспределение морских льдов различных
типов. Так в арктическом бассейне наиболее интенсивные воздействия морских льдов фиксируются в прибрежно-шельфовой зоне морей, находящихся под напорным воздействием многолетних дрейфующих льдов из центральной Арктики. В тех арктических морях, где доминируют отжимные явления и формируются молодые льды, интенсивность воздействий морских льдов на берега и дно существенно ниже.
6. Потепление климата и, вызванные им снижение ледовитости вместе со снижением мощности ледяного покрова, ширины развития припая и размеров ледяных образований, приводят к смещению зоны наиболее интенсивного ледово-экзарационного воздействия в сторону суши. Рост температуры воздуха и воды, увеличение длины разгона волн, увеличение вероятности возникновения экстремальных штормовых нагонов на фоне увеличения продолжительности динамически активного безледного периода создают синергетически благоприятные условия для роста абразионного потенциала разрушения берегов, сложенных дисперсными многолетнемерзлыми породами.
Практическая ценность. Результаты и выводы, изложенные в диссертационной работе, в прикладном аспекте могут быть использованы для разработки нормативных документов, определяющих условия проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений в прибрежно-шельфовой зоне замерзающих морей, а также для разработки и внедрения методологии проведения соответствующих инженерных изысканий под строительство.
Результаты исследования использованы при проектировании и строительстве подводного перехода системой магистральных газопроводов «Бованенково-Ухта» Байдарацкой губы Карского моря. Трасса трубопровода была скорректирована в пользу динамически более стабильного участка. Учтены рекомендации автора по заглублению трубопровода в грунт.
Однако основная ценность работы выражается в возможности использовать полученные результаты и выводы для развития фундаментальных знаний и учебно-методического процесса в высших учебных заведениях страны. Автором диссертации разработан и читается студентам-магистрантам Географического факультета МГУ спецкурс «Геоморфология и динамика прибрежно-шельфовой зоны арктических морей: теория и методы исследований».
Апробация работы. Защищаемые положения, результаты и выводы диссертационной работы опубликованы в серии статей и монографий, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК России для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук (Вестник Московского государственного университета; Известия РГО; Геоморфология; Криосфера Земли; Водные ресурсы; Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология; Проблемы Арктики и Антарктики,
Естественные и технические науки; Проблемы региональной экологии; Доклады Академии Наук; Океанология; Труды ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова; Вестник НГУ; Water Resources; Geo-Marine Letters; Doklady Earth Sciences; Oceanology; Estuaries and Coasts), монографиях «Ледяные образования морей Западной Арктики. Под ред. Г.К. Зубакина. С.-Петербург. ААНИИ. 2006., 272 е.»; «State of the Arctic Coast 2010 - Scientific Review and Outlook. Forbes, D.L. (editor). IIelmholtz-Zentrum, Geesthacht, Germany, 2011, 178 p.» и «Огородов С.A. Роль морских льдов в динамике рельефа береговой зоны, М.: Изд-во Московского университета, 2011, 173 е.».
Результаты исследования докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях и совещаниях в России Германии, Норвегии, США, Канаде, Нидерландах, Дании, Греции, Австралии, Италии и Франции.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, общий объем - 261 страница, включая 181 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 289 наименований.
В диссертации рассмотрена деятельность морских льдов, как агента активного и пассивного рельефообразования. Выполнено районирование прибрежно-шельфовой зоны по видам ледяных образований и их воздействию на берега и дно. Приведено описание морфологии и морфометрии экзарационных и других форм рельефа, образование которых связано с динамикой и сезонным присутствием морских льдов. Сделана попытка соотнести интенсивность ледовых воздействий и сохранность форм ледового выпахивания. Дана оценка влияния изменений климата и ледовитости на динамику арктических берегов.
Благодарности. Автор благодарит профессора В.И. Соломатина, профессора Ф.Э. Арэ, профессора К.Н. Шхинека, профессора Г.А. Сафьянова, профессора Г.И. Рычагова, профессора Е.И. Игнатова, профессора Л.А. Жиндарева, д.г.н. Г.К. Зубакина, д.ф-м.н. А.В. Марченко, научные взгляды которых оказали существенное влияние на автора, как на ученого — «морского геоморфолога», и его представления об объекте и предмете исследования; коллег по лаборатории и соратников по работе, к.г.н. А.С. Цвецинского, к.г.н. Ф.А. Романенко, к.г.н. А.А.Ермолова, к.г-м.н. В.Е. Тумского, к.г.н. О.С. Шилову, к.г.н. Д.А. Шумовскую, к.г.н. О.В. Кокина, к.г.н. Н.Г. Белову, А.М. Камалова, В.Ю. Бирюкова, В.В. Архипова, Д.Е. Кузнецова, А.И. Носкова, А.В. Баранскую, Н.Н. Шабанову и А.П. Вергуна - за моральную поддержку, переданный опыт, предоставленные материалы, участие в экспедиционных исследованиях, ценные замечания и помощь в подготовке диссертации.
Светлой памяти Вениамина Александровича Совершаева посвящается.
1 РЕЛЬЕФООБРАЗУЮЩАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРСКИХ ЛЬДОВ: ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Строение и динамика прибрежно-шельфовой зоны арктических и других замерзающих морей имеют существенные отличия от морей умеренных и тропических широт, обусловленные зональными условиями, в первую очередь термическим режимом, характеризующимся отрицательными температурами в течение продолжительного холодного сезона или большую часть года.
Фундаментальные основы и общие закономерности развития берегов замерзающих морей к настоящему моменту достаточно хорошо изучены (Вильнер, 1955; Леонтьев, 1961; Леонтьев и др., 1975; Зенкович, 1962; Каплин, 1971; Попов, 1977; Попов, Совершаев, 1982; Арэ, 1980, 1985, 2012; Сафьянов, 1978, 1996; Совершаев, 1981, 1992; Суздальский, 1974; Reimnitz, Barnes, 1974; Barnes et al., 1988; Are, 1996).
Характерной особенностью берегов большинства замерзающих и, прежде всего, арктических морей является их развитие в условиях криолитозоны. На значительном протяжении берега замерзающих морей сложены мерзлыми льдистыми грунтами и развиваются по термоабразионному типу. Термоабразия - процесс разрушения берегов, сложенных мерзлыми дисперсными породами, под совместным воздействием механической и тепловой энергии моря. Термин «термическая абразия / thermal abrasion» отечественный, однако, после выхода монографии Феликса Эрнестовича Арэ на английском языке (Are, 1988) все чаще используется и за рубежом. Большой прогресс в этой области знания достигнут в рамках реализации Международного инициативного проекта "Arctic Coastal Dynamics" (http://arcticportal.org/acd; Rachold et al., 2005). В последние годы фундаментальная проблема исследования развития термоабразионных берегов получила новый существенный импульс в связи с прогнозируемым потеплением климата и возможным ускорением термоабразионного процесса. Появились работы, в которых делается попытка количественно определить скорости отступания термоабразионных берегов, дать прогноз изменения этих скоростей под влиянием тех или иных факторов меняющейся природной среды (Арэ и др., 2004; Васильев, 2005; Васильев и др., 2006; Григорьев, 2008; Григорьев и др., 2006; Леонтьев, 2002, 2003; Огородов, 2008; Разумов, 2000, 2001, 2002; Павлидис и др., 2007; Павлидис, Леонтьев, 2000; Are et al., 2005; Atkinson, Solomon, 2003; Solomon, 2005).
Другой важнейшей особенностью, общей для всех типов берегов замерзающих морей, является длительное сезонное присутствие морского льда, обуславливающее развитие процессов его взаимодействия с берегами и дном. По своей значимости этот вопрос находится на одном уровне с термоабразией, однако в силу отсутствия народнохозяйственного заказа и четкой постановки
задач, а также технического несовершенства обеспечения гражданских исследований и трудной доступности объекта изучения не получил должного внимания в советский период. Распад Советского Союза совпал по времени с активизацией освоения прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей и ознаменовался ростом интереса к данной проблеме, обусловленным пониманием прикладной значимости учета опасных ледовых процессов. Многочисленные частные фирмы и целые государственные научно-исследовательские институты, не знакомые с имеющимися мировыми достижениями в изучении и методологии исследования воздействий морских льдов, не имея ни базовых знаний, ни нормативных документов, начали бессистемно проводить изыскания в различных районах нашей страны. Основная проблема всех этих исследований -отсутствие фундаментальной основы, необходимой для понимания причинно-следственных связей и закономерностей в вопросах взаимодействия льда с берегами и дном. Многие специалисты, решая частные прикладные задачи, оказались просто не знакомы с имеющимися достижениями, получившей существенно более серьезное развитие зарубежной научной мысли. В результате некоторые отечественные работы страдают тенденциозностью и «неверным» пониманием сути процессов. Таким образом, для того, чтобы заполнить существующие пробелы в отечественной науке, нужна обобщающая работа, которая позволит суммировать и классифицировать существующие представления о взаимодействии морских льдов с берегами и дном (Совершаев, Соломатин, 1988). Именно в этом состоит задача данной работы - заложить фундаментальную основу теории динамики рельефа прибрежно-шельфовой зоны моря в условиях длительного сезонного присутствия морских льдов и их взаимодействия с берегами и дном.
Необходимо отметить, что в нашей стране вопросы взаимодействия морских льдов с берегами и дном вплоть до последнего времени практически не исследовались. За рубежом, особенно в США и Канаде, это направление, напротив, получило приоритетное развитие. Работы американских и канадских исследователей были начаты с выявления и систематизации сведений по экзарации дна торосами и стамухами. Первые наиболее детальные исследования в этом направлении проведены на шельфе морей Бофорта и Чукотского (Carsola, 1954; Rex, 1955). С помощью эхолотов и водолазных обследований на дне моря в пределах глубин 20-30 м выявлены борозды глубиной 1-2 м, шириной до 40 м и протяженностью до 2 км. Анализ скоростей придонных течений мористее 20-метровой изобаты позволил отклонить предположения о гидрогенном происхождении этих форм и трактовать их как формы ледовой экзарации.
Необходимость обеспечивать геоэкологическую безопасность освоения и строительства инженерных объектов стимулировала интенсивные комплексные исследования опасных природных процессов и явлений на арктическом
побережье и шельфе Аляски. Систематические исследования всего комплекса процессов, связанных с прямым и косвенным воздействием морских льдов на дно и берега, ведутся Американской геологической службой, начиная с 70-х годов прошлого века, в рамках работ по изучению морфо- и литодинамики береговой зоны морей Бофорта и Чукотского (Reimnitz, Bruder, 1972; Reimnitz et al., 1972, 1974; 1975, 1978, 1985; Reimnitz, Barnes, 1974; Reimnitz, Maurer, 1979; Barnes, Reimnitz, 1979; Barnes, 1982; Barnes et al., 1982, 1984, 1988; Hartz, 1978; Hopkins, Hartz, 1978; Kobayashi et al., 1981; Kovacs, Sodhi, 1980; Osterkamp, Gosink, 1984; Short, 1974). Исследования велись по следующим направлениям: 1) Динамика береговой зоны и объемы вдольберегового транспорта наносов в условиях постоянного присутствия льдов; 2) Роль торосов и стамух в образовании экзарационных ледовых форм в рельефе дна; 3) Транспорт наносов, обусловленный дрейфом и подвижками льдов. Эти исследования заложили фундамент существующих сегодня представлений о взаимодействии морских льдов с берегами и дном, литодинамике береговой зоны замерзающих морей. В этот же период были открыты, описаны и детально изучены такие совершенно уникальные природные явления, как: 1) Воронки размыва (Reimnitz et al., 1974; Reimnitz, Kempema, 1983); 2) Ямы вытаивания (Reimnitz, Kempema, 1982; 3) Гряды ледового напора (Hume, Schalk, 1964; Barnes, 1982); 4) Образование внутриводного льда и транспорт им наносов (Osterkamp, 1978; Reimnitz et al, 1987). Эти явления до настоящего времени практически не изучены в нашей стране.
ПРИБРЕЖНАЯ
ДЕЛЬТОВАЯ РАВНИНА
"НА ДНЕ"
РЕКА, ВЫШЕДШАЯ ИЗ БЕРЕГОВ
ВЫПАХИВАНИЯ
Рис. 1.1. Строение прибрежно-шельфовой зоны Арктической Аляски (Barnes et al., 1988)
В Советском Союзе исследования морских льдов имели приоритетное значение, прежде всего для решения главной на тот момент задачи -гидрометеорологического обеспечения мореплавания в арктических морях. С этой целью была создана крупнейшая в Мире специализированная организация - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. Суда института проводили широкомасштабные работы в Арктике, а отечественная наука по праву занимала ведущее место в мире в области исследования морских льдов и их режимно-климатических характеристик.
Вместе с тем, специальных исследований воздействий морских льдов на берега и дно в советский период долгое время не проводилось, так как насущной народнохозяйственной задачи, связанной со строительством инженерных сооружений в прибрежно-шельфовой зоне не было.
Из анализа отечественной литературы этого периода видно, что вопросы, поднимаемые авторами, встали на повестку дня не в связи с исследованиями воздействий морских льдов как таковых, а при изучении смежных вопросов географии, геологии, геоморфологии, ледоведения и мерзлотоведения. По результатам анализа и обобщения литературных источников советского периода можно выделить следующие направления: 1) Защитная роль припая и дрейфующих льдов, ограничивающих воздействие активных гидродинамических факторов на развитие берегов и шельфа арктических морей (Каплин, 1971; Совершаев, 1976, 1982; Сафьянов, 1978; Арэ, 1980); 2) Роль морских льдов в переносе обломочного материала (Белов, 1976; Шуйский, 1986; Чувардинский, 1974; Лисицын, 1994); 3) Воздействия морских льдов на берега (Совершаев, 1981; Арчиков и др., 1989); 4) Экзарационные воздействия на дно торосов и стамух (Кошечкин, 1958; Арэ, 1980); 5) Формирование многолетне- и сезонно-мерзлых пород в зоне контакта «лед-дно» (Григорьев, 1987; Жигарев, Плахт, 1977).
Связующим звеном работ отечественных и зарубежных исследований стала обобщающая работа Ф.Э. Арэ «Динамика прибрежной зоны арктических морей» (Are, 1996), в которой заметное место уделено описанию и типизации процессов, связанных с присутствием и рельефообразующей деятельностью морских льдов.
Первые специализированные отечественные исследования ледяного покрова, в рамках которых были обнаружены, измерены и документально зафиксированы борозды выпахивания, были выполнены под руководством А.Н. Чилингарова и Г.А. Кадачигова (1981) в районе мыса Харасавэй (Западный Ямал) весной 1977 и 1978 гг. Было выполнено детальное исследование подводной морфологии припая, стамух и барьеров торосов. Было установлено, что появление борозд связано с подвижкой припая в сторону берега: в сторону открытого моря в направлении перпендикулярном обследованной гряде торосов на несколько десятков метров прослеживались борозды, глубиной до 50 см.
С 1988 г., когда начались работы по исследованию природных условий Байдарацкой губы Карского моря (Природные условия..., 1997), в связи с активизацией коммерческого освоения прибрежно-шельфовой зоны морей России начался новый этап исследования воздействий морских льдов на берега и дно. Специальные исследования воздействий ледяных торосистых образований на дно и навалов льда на берега ведутся в рамках инженерно-гидрометеорологических, инженерно-геологических и инженерно-гидрографических изысканий в рамках комплексного изучения природных условий под строительство гидротехнических сооружений в береговой зоне, прежде всего подводных трубопроводов и кабелей связи. Недостатком подобного рода исследований является тот факт, что их результаты, как правило, закрыты для широкой научной общественности и не опубликованы.
К настоящему времени в России воздействия морских льдов в той или иной степени детальности исследованы в 4 районах. Это Байдарацкая губа Карского моря (Природные условия..., 1997; Совершаев и др. 1998; Огородов, 2008, 2011; Огородов и др., 2007, 2008, 2010; Beloshapkov, Marchenko, 1998; Marchenko et al., 2007; Ogorodov, 2008; Марченко и др., 2009), Печорское море (Гудошников и др., 2003; Нестеров и др., 2003; Зубакин и др., 2003, 2004; Ледяные образования..., 2006; Zubakin et al., 2002; Ogorodov et al., 2005), шельф Сахалина (Поломошнов, 1990; Сурков, Трусков, 1993; Астафьев и др., 1997; Вершинин и др., 2005, 2007), Северный Каспий (Бухарицин, 1984, 1987, 1994; Болгов, 2007; Огородов и др., 2010; Огородов, Архипов, 2010).
Наиболее острой проблемой современной науки и практики является достоверное определение глубины внедрения киля тороса в грунт. В силу суровости природных условий в замерзающих морях, трудной доступности объекта исследований и технической сложности инструментального определения натурные измерения не всегда дают ответ об интенсивности и глубине экзарации дна ледяными образованиями. В ряде случаев на помощь приходит математическое и лабораторное моделирование ледовых воздействий на берега и дно, активно развивающееся в последние десятилетия как за рубежом (Chari, Allen, 1974; Chari, 1979; Been et al., 1990, Kioka et al., 1995, 1998; Foriero, 1998; Yang et al., 1997; Liferov et al., 2007), так и в России (Ryabinin et al., 1995; Астафьев и др., 1997; Клячкин и Сухоруков, 1997; Beloshapkov et al., 1998; Beloshapkov, Marchenko, 1998; Arkhipov et al., 1999; Vershinin et al., 2004; Ледяные образования морей Западной Арктики, 2006; Marchenko et al., 2007; Вершинин и др., 2005; Вершинин и др., 2007; Огородов и др., 2008; Марченко и др., 2009; Богородский и др., 2010; Shestov et al., 2010). В свою очередь, развитие математического моделирования тормозится отсутствием надежных данных изысканий физико-механического состояния грунтов.
2 ДИНАМИКА ПРИБРЕЖНО-ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЫ ЗАМЕРЗАЮЩЕГО МОРЯ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Согласно определению (Морская геоморфология..., 1980), береговая зона -это прибрежная полоса моря и заливаемой при волнении суши со специфическими формами рельефа, созданными под преимущественным воздействием волн, которые, трансформируясь и разрушаясь в пределах данной полосы вследствие уменьшения глубины, расходуют энергию в основном на переформирование подводного берегового склона и берега, перемещение прибрежно-морских наносов и построение аккумулятивных береговых форм.
Термин прибрежно-шельфовая зона, не имеет точного определения в научной литературе, но фактически является аналогом термина «береговая зона» в более широком понимании, как зона взаимодействия литосферы, гидросферы и атмосферы, не ограничиваясь волновым движением наносов. Так, например, в арктических морях воздействия ледяного покрова, как части гидросферы на дно (литосферу) под действием ветра (атмосферы) может распространяться существенно глубже, чем волновой транспорт наносов.
Морские льды определяют особенности динамики прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей, участвуя наряду с другими факторами как в группе активных, так и в группе пассивных, в значительной мере определяющих место и продолжительность действия факторов первой группы. Морской лед - любая форма льда, встречающегося в море и образовавшегося в результате замерзания морской воды (WMO Sea-Ice Nomenclature, 1989). В отличие от морского материковый лед значительно менее разнообразен. Поэтому льды материкового происхождения в море делятся в основном только на неподвижные (шельфовые ледники) и дрейфующие {айсберги).
В диссертации рассматривается взаимодействие лишь морских льдов с берегами и дном, процесс, носящий глобальный циркумполярный характер и, соответственно в большей степени характеризующийся общими (для данного класса встречающихся в море льдов) закономерностями. Распространение же айсбергов приурочено к крупным ледниковым массивам и имеет локализацию в виде ареалов (Котляков, 1994), а их воздействие на берега и дно специфично для каждого из ареалов и заслуживает отдельного исследования.
Рассмотрим особенности строения прибрежно-шельфовой зоны типичного замерзающего моря, а также основные виды формирующихся здесь ледяных образований. Наиболее удачно строение береговой зоны замерзающего моря охарактеризовал выдающийся ученый-полярник, помор по рождению - В.А. Совершаев, внесший огромный вклад в изучение береговой зоны арктических морей и стоявший у истоков исследований «динамики береговой зоны замерзающего моря», включая воздействия морских льдов на берега и дно. На примере Байдарацкой губы Карского моря им была предложена первая схема
районирования береговой зоны по видам воздействия морских льдов (Природные условия..., 1997). Поступающие в последние годы более детальные и точные данные, в том числе результаты натурных исследований автора, позволили существенно уточнить модель В.А. Соверщаева как по характеристикам ледяных образований, так и морфологии подледного рельефа (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Прибрежно-шельфовая зона замерзающего моря. Условные обозначения: 1 - припай, смерзшийся с дном; 2 - припай «на плаву»; 3 -дрейфующие ледяные поля; 4 - торосистые ледяные образования (торосы, стамухи, ледяные плотины), навалы и надвиги льда на берег; 5 - внедрение киля тороса в грунт; 6 - формирование сезонно-мерзлых грунтов в контактной зоне «лед-дно»; 7 - приливная трещина; 8 - высокоминерализованные воды в межваловых ложбинах, криопеги
Первый сегмент (П находится за пределами прямого влияния морских льдов и не имеет особых отличий от берегов безледных морей.
Второй сегмент (II) включает береговой откос и верхнюю часть пляжа. Здесь на берегах с откосами возможны навалы и надвиги льдов с образованием гряд несортированного пляжевого материала, срезание растительного покрова с береговых откосов, что в условиях криолитозоны приводит к деградации многолетнемерзлых пород и ускорению термоабразионных и термоденудационных процессов.
Третий сегмент (111) включает в себя область осушки и прибрежного вдольберегового вала, в пределах которой в холодный период формируется неподвижный припай. Припай - основная форма неподвижного морского льда, которая образуется вдоль побережья, где он прикреплен к берегу, а на мелководных участках моря - ко дну. Припайный лед смерзается с грунтом, образуя подошву припая. В контактной зоне лед-дно формируется сезонно-мерзлый слой. Остается неподвижной при приливных колебаниях уровня моря и сохраняется некоторое время после взлома припая; от остальной мористой части припая отделяется приливной трещиной.
Четвертый сегмент (IV) включает себя зону мористых береговых валов и подводный береговой склон, находящиеся в пределах припая «на плаву» и в этой связи менее устойчивого по сравнению с той его частью, которая смерзлась с грунтом. От припая «на дне» припай «на плаву» обычно отделяется приливной трещиной или серией трещин. Ширина сегмента обычно меняется в зависимости от уклонов дна и суровости климата. Под действием приливно-отливных и сгонно-нагонных колебаний уровня припай «на плаву» испытывает вертикальные движения, амплитуда которых тем выше, чем дальше тот или иной участок находится от берега. В период становления припая осенью на вдольбереговых валах, как правило, формируются гряды торосов и стамухи. Эти торосы играют роль защитного барьера, принимая все сжатия и ледовые нагрузки со стороны моря на себя. Мористая часть сегмента - участок относительно ровного дна, где формируются отдельные стамухи и гряды торосов, но образование их обусловлено не морфологией дна, а гидрометеорологическими условиями.
Торос - нагромождение льда, образовавшееся в результате бокового давления ледяных полей друг на друга, а также на берега и на мелководные участки дна и происходящего при этом обламывания их краев (Гляциологический словарь, 1984). Торосы формируются при ветровых и приливных сжатиях ледяных полей вследствие выдавливания блоков и обломков льда на поверхность ледяного покрова и в воду. В результате неравенства архимедовой силы и силы тяжести при образовании тороса его форма в надводной и подводной частях уравновешивается при соотношении высот примерно 1 к 5. Все линейные размеры тороса кратны высоте его надводной части hH. Осадка тороса h„ равна 5/;„. Угол ската надводной части а = 27°. Киль -гребень подводной части тороса.
Стамуха - ледяное торосистое образование, сидящее на грунте или на мели (Гляциологический словарь, 1984). Образуется из остатков торосистого берегового припая, из несяков и торосистых льдин, севших на грунт. В ряде случаев стамухи смерзаются с грунтом, образуя на дне сезонномерзлый слой. У стамухи соотношение высот надводной и подводной части обычно составляет 1: 2, в ряде случаев даже 1: 1 (Зубов, 1944).
Пятый сегмент (V) включает в себя зону торошения на мористой кромке припая, где в течение всего зимнего периода происходят мощные сжатия и деформации дрейфующих льдов преимущественно со стороны моря. В результате динамических нагрузок в прикромочной части припая обычно формируется серия субпараллельных гряд торосов, т.е. пояс торошения. Значительная часть торосистых образований здесь может достигать дна. В течение холодного сезона вместе с развитием припая эта зона смещается мористее, а сформировавшиеся ранее гряды торосов оказываются в припае.
Шестой сегмент (VI) включает в себя зону дрейфующих вдоль мористой кромки припая ледяных полей. Многие ледяные поля могут достигать несколько километров в поперечнике и содержать в своем теле торосистые образования, в том числе в некоторых районах Арктики и многолетние. Под действием ветра и приливных течений такие ледяные поля дрейфуют вдоль кромки припая, выпахивая при этом дно (рис. 2.2). Формы рельефа, образовавшиеся при этом, по рангу и размеру следует отнести к микроформам, а ледово-экзарационный рельеф к микрорельефу (Никифоров, 2006).. В периоды активизации сильных прижимных ветров они оказывают мощное напорное воздействие, вызывая торошения на кромке припая (сегмент V), где гряды торосов часто образуют ледяную плотину.
Рис. 2.2. Формирование борозд выпахивания торосистыми образованиями (Barnes et al., 1984): k - глубина моря; s - высота тороса (над уровнем моря); d -глубина борозды; w - ширина борозды; г - высота бортика обваловки; m -ширина системы борозд; sf- ширина бортика; 8 - ориентировка борозды
Седьмой сегмент (VII) по видам ледяных образований практически не отличается от сегмента VI. Принципиальное отличие заключается в том, что глубина моря здесь больше и дрейфующие торосистые образования не достигают дна, а формирование стамух на такой глубине тем более невозможно. В некоторых районах Мирового океана на таких глубинах могут быть встречены айсберги и их обломки, однако проявления их локальны и не носят циркумполярный характер.
С учетом того, что рельефообразующая деятельность морских льдов, включая экзарацию берегов и дна ледяными торосистыми образованиями, является основным предметом данной работы, далее в главе рассматриваются и другие основные понятия и определения в этой области знаний.
3 КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЙ МОРСКИХ льдов НА БЕРЕГА И ДНО
В главе проведено обобщение доступной автору информации о видах воздействий морских льдов на берега и дно замерзающих морей (Огородов, 2003). Результаты обобщения и критического анализа систематизированы по видам воздействия морских льдов (рис. 3.1).
Рис. 3.1 Виды воздействий морских льдов на берега и дно
ЗЛ Защитная роль припая и дрейфующих льдов
Косвенное или пассивное воздействие морских льдов на динамику берегов и дна замерзающих морей выражается в защитной роли припая и дрейфующих льдов от воздействия волн и приливов. Блокируя береговую зону в течение большей части года, припай регулирует действие активных гидродинамических факторов, сокращая время их проявления (Совершаев, 1976, 1992; Каплин, 1971; Арэ, 1980). С учетом того, что в Арктике береговая зона большую часть года покрыта припайными и дрейфующими льдами, величина суммарного расхода волновой и приливной энергии сокращается здесь в 5-10 раз (Сафьянов, 1978). В летний период стамухи, фрагменты припая и битый однолетний лед, вынесенные на пляж, способны длительное время препятствовать подходу волн к приурезовой зоне, защищая берег от их прямого воздействия. Наличие плавучих льдов вблизи берега также приводит к существенному падению энергии волн и даже полному их гашению.
3.2 Экзарация берегов и дна морскими льдами. Морфология и морфометрия образовавшихся форм рельефа
Экзарация или ледовое выпахивание - деструктивное механическое воздействие льдов на грунт, связанное с динамикой ледяного покрова, торошением и стамухообразованием под влиянием гидрометеорологических факторов и рельефа прибрежно-шельфовой зоны (Огородов, 2003). Этот процесс захватывает участки берега от первых десятков метров выше уровня моря на суше до глубины в ряде регионов даже до 50-65 м. Прямыми наблюдениями с подводных лодок документально зафиксированы кили крупных торосистых образований, достигающие глубины 50 м (Лисицын, 1994).
Берега подвержены ледовым воздействиям как в период осеннего ледообразования, так и во время весеннего разрушения припая. Осенью, в начале зимы, молодые льды толщиной 20-40 см в периоды нагонов или ледовых подвижек со стороны моря могут выдавливаться на сушу. При своем движении этот сплошной ледяной покров перемещает обломочный материал, формируя из него гряды несортированного материала. Высота таких гряд может достигать 23 м, протяженность - сотни метров (рис. 3.2).
На берегах с песчаными пляжами в результате ледовых надвигов и навалов
_ _формируются мелкие экзарационные
формы): борозды, царапины, ямы, а также
_^— разнообразные напорные валы и гряды
(рис. 3.3). Глубина (высота) таких форм, как правило, не превышает 1 м, длина -I:. \ до м. Большинство экзарационных форм
ориентировано по нормали к линии уреза,
-—напорные валики - вдоль линии берега. В
____I____ гШка.. отличие от гряд, сложенных крупно___обломочным материалом, на песчаных
— берегах гряды ледового напора и ледово-
Рис. 3.2. Механизм формирования экзарационные микроформы обычно гряды ледового напора (Barnes, 1982) разрушаются после первого шторма.
Рис. 3.3. Вал ледового напора на осушке, Байдарацкая губа Карского моря
18
Механическое воздействие льда на дно начинается с момента его образования и продолжается до полного очищения берегов и акватории моря ото льдов. После смерзания молодых льдов с дном в приурезовой зоне эта полоса льда служит своеобразным защитным буфером. Самые близкие к берегу гряды торосов формируются над подводными береговыми валами. Так как над береговыми валами глубина моря уменьшается, они становятся ядрами торошения. Сидящие на валах гряды торосов местами смерзаются с подводными валами, способствуя устойчивости припая. Так как область подводных валов и верхней части подводного склона является одним из наиболее динамичных сегментов береговой зоны, то следы экзарации здесь исчезают практически сразу после освобождения акватории ото льда после первого сильного волнения.
Далее в море расположение гряд и барьеров торосов носит случайный характер и определяется гидродинамическими причинами, в основном положением кромки припая в период его формирования и последующей его динамикой во время сильных штормовых ветров. Под действием шторма происходит разрушение льдов в прикромочной зоне и формирование очередной гряды торосов или стамухи (рис. 3.4 и 3.5). После окончательного становления припая стамухи остаются малоподвижными, в ряде случаев примерзая ко дну. После их таяния и разрушения волнами на дне остаются небольшие (до 1 м глубиной) ямы и мелкие, относительно короткие борозды (рис. 3.5 и 3.6). Борозды ледового выпахивания в этой области ориентированы преимущественно либо хаотично, либо по нормали к линии берега, чему способствует напорное воздействие льдов со стороны моря.
Рис. 3.4. Стамуха у побережья Ямала Рис. 3.5. Подводное строение стамухи
Рис. 3.6. Гидролокационная съемка Рис. 3.7. Подводная фотосъемка
Подводный склон Ямала. Следы воздействия стамухи на дно. Глубина ~10 м
Более интенсивное воздействие на дно следует ожидать на зимней кромке припая, где в течение всего холодного периода времени формируются гряды и барьеры торосов, достигающие дна (рис. 3.7; 3.8). Борозды ледового выпахивания в этом случае образуют так называемую «гребенку», ориентированную обычно по нормали к линии берега, чему способствует напорное воздействие льдов со стороны открытого моря.
Рис. 3.7. Механизм выпахивания дна Рис. 3.9. Экзарация дна торосом, ледяной плотиной под напорным вмерзшим в дрейфующее ледяное поле воздействием (Barnes etal., 1988) (Marchenko et al., 2007)
Рис. 3.8. Следы воздействия ледяной Рис. 3.10. Глубокие и широкие борозды плотины на подводном склоне Ямала выпахивания в зоне дрейфующих льдов
Однако наибольшие интенсивность и глубина экзарации дна приурочены к области дрейфующих льдов, тяготеющей к кромке припая, где в течение всего холодного сезона происходят торошения и вдоль которой осуществляется дрейф ледяных полей с вмерзшими в них торосистыми образованиями, достигающими дна (рис. 3.9). В силу того, что в работе по выпахиванию дна фактически участвует масса всего ледяного образования (ледяное поле плюс торос) здесь образуются самые глубокие и протяженные борозды (рис. 3.10). Борозды выпахивания ориентированы здесь в основном параллельно линии берега (Reimnitz et al., 1978; Barnes et al., 1982). В силу низкой литодинамической активности на данных глубинах, недоступных для волнового воздействия, седиментация происходит крайне медленно. В результате борозды «накапливаются» на дне и происходит наложение одной системы борозд на другую. Иногда они покрывают до 100% поверхности дна.
3.3 Транспорт наносов морскими льдами
Транспортирующая роль морских льдов заключается в разносе обломочного материала из прибрежной контактной зоны на другие, в основном глубоководные участки морей (Совершаев, 1981). Часть материала, напротив, выдавливается на берег, а часть транспортируется вдоль берега. Морские льды способны переносить осадочный материал от пелита до валунов. Среди механизмов попадания материала на лед можно выделить следующие.
Эоловому выносу подвержен, прежде всего, мелкопесчаный и алеврит-пелитовый материал. Господство ветров, дующих с суши благодаря влиянию Сибирского и Гренландско-Канадского барических максимумов, определяют значительные объемы выноса эолового материала на поверхность льда. Береговые уступы большую часть года находятся в мерзлом состоянии, тем не менее, попадание склонового материала на лед нельзя исключить в переходные сезоны. Е.И. Арчиков и соавторы (1989) отмечают, что весной береговые уступы Охотского моря оживают еще задолго до очищения от припая. Штормовой выброс наносов на припай типичен для морей с относительно приглубым подводным склоном (Баренцево, Чукотское), где формирование припая сопровождается его частыми штормовыми взломами.
Определенная часть осадочного материала заносится на лед реками и временными водотоками в период весеннего половодья, когда русла их промерзают до дна и паводковые воды, содержащие большое количество влекомых и взвешенных наносов, растекаются по поверхности припая. Еще один способ «бесконтактного» попадания наносов в лед - захват взвеси в процессе ледообразования (Лисицын, 1994). При охлаждении воды возникают движущиеся наверх зерна льда, «отцеживающие» взвешенные частицы. Затем частицы смерзаются, и взвесь остается во льду.
Самый крупный источник поступления наносов в лед - поверхность осушки и подводного берегового склона в области контакта с припаем. Вода в период замерзания содержит множество отдельных ледяных частиц-кристаллов. Под действием волнения происходит перемешивание наносов и ледяных частиц (11е1п1пкг е! а1., 1985). Смесь изо льда и наносов примерзает к припаю. В приливных морях процесс смерзания припая с дном может происходить многократно, формируя в подошве припая прослойки, обогащенные осадочным материалом (Арчиков и др., 1989). Поскольку таяние льда весной происходит сверху, этот материал может сохраниться до следующего ледообразования (Совершаев, 1981). Так как процесс намерзания происходит снизу, за период второго ледостава материал окажется в толще льда. При новом весеннем таянии осадочный материал концентрируется на поверхности, формируя так называемые «грязные» льды.
В контактной зоне лед-дно происходит выжимание грунта по приливным трещинам и примерзание обломков к днищу льдин (Чувардинский, 1974). Вмерзшие в лед валуны способны мигрировать вверх внутри ледовой толщи в процессе многократного оттаивания и замерзания. Оттаявшая вокруг валуна вода днем стекает под него, ночью замерзает и «приподнимает» валун вверх (рис. 3.11). В результате множества таких циклов валун может оказаться на поверхности льда.
На участках, где прибрежная зона сложена тонким материалом (западная часть Восточно-Сибирского моря, море Лаптевых) и где зона контакта «лед-дно» достигает десятка и более километров, роль морского льда в транспортировке наносов может быть определяющей (Совершаев, 1981). Весной-летом после взлома припая льдины могут быть вынесены в открытое море, где они постепенно растают, а частицы наносов будут отложены на дно.
Донный лед при всплытии захватывает некоторое количество наносов (Лисицын, 1994; Reimnitz et al., 1987). Предполагается, что этот процесс идет в крупных незамерзающих полыньях.
Захват донных осадков килями дрейфующих торосистых ледяных образований - явление слабо изученное. Известно, что большая часть ледово-экзарационных борозд ориентирована параллельно берегу, так как генеральное направление дрейфа льдов - вдольбереговое (Reimnitz. et al., 1978; Barnes, Reimnitz, 1979; Barnes et al., 1982). Ледяные образования, проходя над мелководьями, не только царапают дно, но и одновременно участвуют во вдольбереговом транспорте наносов (Rearic et al., 1990). На мористой границе береговой зоны, где наблюдается высокая интенсивность экзарации дна килями дрейфующих торосистых образований, а волновой транспорт наносов сходит «на нет», объемы вдольберегового транспорта наносов ледяными торосистыми образованиями могут превышать объемы транспорта волнами и течениями.
Физический смысл термина береговая зона сводится к зоне, где возможен транспорт наносов под действием волнового фактора. Поэтому, в большинстве замерзающих морей внешнюю границу береговой зоны целесообразно проводить на максимальной глубине моря, где прекращается волновая переработка ледово-экзарационных форм под действием волн, и глубже которой отмечается хорошая сохранность ледово-экзарационного микрорельефа.
Рис. 3.11. Валуны во льду Минского моря на разных стадиях миграции
3.4 Местный размыв дна, обусловленный особенностями ледовых условий. Прочие виды ледовых воздействий
Воронки размыва (сверления) на дне - формы практически не изучавшиеся в нашей стране, хотя косвенные данные об их существовании в российской Арктике в литературе встречаются (Are et al., 2000). По данным зарубежных исследований (Reimnitz, Kempema, 1983) они представляют собой кратеры, сформированные на мелководных прибрежных участках дна. Эти формы образуются весной при таянии снега и затоплении поверхности припая речными водами. Речные и талые воды через приливные трещины и промоины во льду с большой скоростью устремляются под лед и размывают в дне воронки. Этому процессу, по-видимому, способствуют приливо-отливные колебания уровня и припая. По данным наблюдений в море Бофорта такие воронки достигают в глубину до 6 м, в диаметре до 25 м, а число их может составлять 2-3 на 1 км площади дна (Reimnitz et al., 1974). На открытых участках дна воронки заполняются наносами за 2-3 года, в более спокойных гидродинамических условиях это процесс более длительный. Объемы перемещенных наносов в процессе высверливания воронок сопоставимы в ряде районов с объемами вдольберегового транспорта (Reimnitz et al., 1974; Reimnitz, Kempema, 1983).
Местный размыв дна может отмечаться вокруг оснований стамух, эффект хорошо известный в мостостроении. Он обусловлен увеличением турбулентности потока и скорости течений, обтекающих стамухи. По непроверенным данным размыв дна вокруг стамух может достигать 3 м глубины и более 50 м в диаметре. Вероятно, этот эффект распространен в морях, где приливные колебания уровня составляют не менее 2 м.
3.5 Формирование мерзлых пород в контактной зоне лед-дно
Термодинамическое и физико-химическое взаимодействие гидросферы и литосферы в замерзающих морях создает условия для развития своеобразного литогенеза, предопределяющего специфические характеристики донных осадков и формирование океанической криолитозоны (Жигарев, 1997).
Термическое воздействие морских льдов проявляется в формировании сезонно- и многолетнемерзлых пород, в особенности на участках аккумуляции обломочного материала. Наибольший эффект оказывают припайные льды, образующиеся не только у континентальных и островных берегов, но и вдали от них, на открытых мелководных акваториях морей. Формирование у берегов ледяного припая вызывает промерзание донных осадков и появление новообразований многолетнемерзлых пород. Начало формирования припая осенью способствует смерзанию его с донными осадками, которое начинается сразу же на урезе воды. Смерзание припайного льда с донными осадками
прекращается на глубине моря, равной или большей толщины льда. На участках морской аккумуляции, где припайный лед смерзается с донными осадками, формируются субаквальные мерзлые породы (Жигарев, 1997). В результате в приурезовой зоне на участке контакта с припайными льдами формируется «козырек» из мерзлых пород, выдвинутый с суши в море (рис. 3.12). Ширина и мощность «козырька» обычно зависят от суровости климата и уклона дна.
Рис. 3.12. Геокриологический разрез участка Ямальского берега Байдарацкой губы Карского моря: 1 - многолетнемерзлые породы, 2 - сезонно-мерзлый слой, 3 - морской лед, 4 - криопег
К промерзанию донных осадков могут также привести и стамухи. Летом на свободной ото льда акватории морей в результате воздействия тепловых и волновых факторов стамухи довольно интенсивно разрушаются. После полного разрушения стамух донные осадки на месте их образования могут оказаться мерзлыми. Однако из-за сравнительно небольшой площади контакта с дном, относительно малого количества на единицу площади и ежегодного образования на разных участках, влияние стамух на температурное поле донных осадков замерзающих морей незначительно (Жигарев, 1997).
Химическое воздействие морских льдов на дно проявляется в прибрежных мелководных акваториях и лагунах в процессе образования припайного льда, вытеснения из него солей.
4 РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЙ МОРСКИХ ЛЬДОВ НА БЕРЕГА И ДНО
В главе рассматриваются региональные особенности воздействий морских льдов на берега и дно Байдарацкой губы Карского моря и на Северном Каспии. Приводится методика исследований, даются результаты районирования береговой зоны по интенсивности ледово-экзарационных воздействий на берега и дно. Анализируются факторы, определяющие пространственно-временное перераспределение ледовых воздействий в прибрежно-шельфовой зоне арктических морей.
4.1 Байдарацкая губа Карского моря
В августе 2007 г. началось строительство подводного перехода газопровода через Байдарацкую губу Карского моря, который кратчайшим путем по дну мелководного залива должен соединить месторождения Ямала с трубопроводной сетью Европейской России (рис. 4.1). Длина подводной части трубопровода составляет около 65 км, максимальная глубина моря в районе перехода достигает 22-23 м. С целью оценки воздействия ледяных образований на дно был выполнен комплекс исследований, включавший в себя натурные наблюдения и математическое моделирование. Некоторые результаты представлены в данном разделе диссертации.
Ледовые условия
В подразделе приводятся характеристики ледовых условий в Байдарацкой губе Карского моря, необходимые для понимания процессов экзарации берегов и дна морскими льдами. Ледяной покров в Байдарацкой губе состоит из дрейфующего льда и припая. На границе между дрейфующим льдом и припаем, происходит формирование торосистых образований. Торосы вмерзают в ледяные поля и образуют сложные образования, дрейфующие вместе.
Методика натурных исследований
В подразделе дается краткий историко-методический экскурс исследований ледово-экзарационного микрорельефа дна в Байдарацкой губе. Наиболее распространенным, но косвенным методом оценки интенсивности воздействий ледяных образований на берега и дно является сопряженный анализ количественного распределения и параметров ледово-экзарационных микроформ, запечатлевшихся на морском дне, а также изменчивость этого показателя во времени. Получить массовую картину распространения и глубину ледово-экзарационных форм на значительном по протяженности отрезке дна возможно лишь с применением специального геофизического оборудования -гидролокаторов бокового обзора, многолучевых эхолотов, профилографов и приборов спутникового позиционирования GPS/ГЛОНАСС (рис. 4.2, 4.3).
25
Байдарацкой губы Карского моря газопроводом «Бованенково-Ухта»
Антенна спутникового приемника СЕРБ Блок навигационных датчиков
Антенны ГБО
Рис. 4.2. Технология съемки микрорельефа дна
1. Комплексная геофизическая съемка ледового микрорельефа дна
Гидролокатор бокового обзора
Спутниковый навигатор ОРБ
Промерный эхолот
Высокочастотный акустический профилограф
2. Первичная обработка данных геофизических исследований
Сортировка данных
Изменение формата
Привязка в географической системе координат
Преобразование в графический формат
3. Морфометрический анализ материалов комплексных геофизических съемок ледового микрорельефа дна
Подготовка исходных данных для морфометрического анализа Дешифрирование и пространственная локализация объектов исследования
Определение количественного распределения и параметров ледово-экзарационных микроформ на дне
| | Встречаемость | | Глубина форм | | Ориентировка || Ширина форм | 3 |4. Статистическая обработка результатов морфометрического анализа I
Распределение параметров ледовых микроформ по погонным километрам и глубине моря
5. Анализ межгодовой изменчивости распределения и параметров ледовых форм
Сравнение материалов повторных съемок
к к>
РЕЗУЛЬТАТЫ
4000 погонных км, 48x2 галсов
«Привязанные» сонограммы и эхограммы в рабочем наборе АгсС18
Морфометрия ледовых форм микрорельефа дна (атрибутивные
таблицы, гистограммы и диаграммы)
Пространственная изменчивость и районирование: гистограммы, графики, карты-схемы привязки форм, таблицы
Временная изменчивость: новообразованные формы
Рис. 4.3. Технологическая схема съемки, обработки и интерпретации геофизических данных при исследованиях ледово-экзарационного микрорельефа
Определяется местоположение на профиле трассы трубопровода, количество, глубина, ширина, ориентировка, степени заполнения донными осадками ледово-экзарационных форм, образовавшихся в период между съемками разных лет. Соответственно, съемка должна осуществляется по тем же галсам и теми же приборами, что и годом ранее. Полевой этап является лишь первым звеном в
многоступенчатой системе обработки материалов геофизических исследований. Итогом является график статистической обработки результатов морфо-метрического анализа распределения и параметров ледово-экзарационных форм.
Оценка интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно
Основной метод косвенной оценки интенсивности экзарации - оценка плотности и глубины борозд ледового выпахивания. Между тем, сроки существования таких форм могут существенно варьировать в зависимости от глубины моря, типа осадков и продолжительности динамически активного периода, поэтому вопрос об интенсивности экзарации берегов и дна морскими льдами непосредственно связан с проблемой сохранности форм ледового выпахивания. Строение микрорельефа дна зависит как от интенсивности ледовых воздействий, так и активности лито динамических процессов.
На основе сопряженного анализа батиметрии, геоморфологии (Бирюков и др., 2008) и результатов гидролокации и промеров поперечника в створе трассы проектируемого трубопровода через Байдарацкую губу с учетом литодинамических процессов проведено детальное районирование дна губы по распространению и параметрам ледово-экзарационных форм на дне (рис. 4.4-5).
На основании проведенного детального анализа и выполненного районирования трассы перехода газопроводом по интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно Байдарацкой губы можно отметить следующее:
(1) берега до отметок 2 м выше уровня моря и все дно до глубины 26 м подвержены воздействиям морских льдов; (2) параметры борозд ледового выпахивания достигают по глубине - до 2 м, ширине - до 50 м, протяженности -несколько километров; (3)повсеместное распространение борозд выпахивания глубже 14 м на Уральском участке и глубже 12 м на Ямальском свидетельствует о том, что экзарация дна морскими льдами является здесь основным рельефообразующим фактором; (4) 80% идентифицированных борозд имеют ориентировку с северо-запада на юго-восток (или близкую к этому направлению) в соответствии с генеральным простиранием Байдарацкой губы и приливо-отливных течений; (5) с глубиной «срок жизни» ледово-экзарационных форм увеличивается, в результате сохранность таких форм может достигать десятков лет, а площадь покрытия дна ледовыми микроформами на некоторых участках составляет 100%; (6) с учетом различной литодинамической активности и разного «возраста» ледово-экзарационных форм, интенсивность экзарации дна и берегов морскими льдами не может определяться, исходя лишь из плотности или встречаемости борозд выпахивания; (6) наибольшая интенсивность воздействия морских льдов на дно отмечается вдоль зимней кромки припая Ямальского берега и сопряженным с ним участком зоны дрейфующих льдов.
Наибольшие встречаемость и глубина борозд ледового выпахивания в Байдарацкой губе приурочены к интервалу глубин от 17 до 19 м, что объясняется как высокой интенсивностью экзарации дна в этом интервале глубин, так и их хорошей сохранностью ледово-экзарационных форм. На меньших глубинах экзарация дна ограничена припаем, а борозды быстро нивелируются за счет волновых деформаций. На больших глубинах вероятность царапания дна килем ледяного образования с увеличением его осадки также снижается.
а) Фрагмент батиметрической карты
Ямал
£ се
1-0.5 §
I -1
со Ы
*> -1,5
СЗ
X
К -) ю -2.
с:
Т "2,5
Урал
б) Эхограмма дна
Расстояние от Уральского берега, км
Ямал
3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 _С_______
С. I
с/,
-и
С„
аз X 0 ЕГ о. &
о „_ О- с;
О 50 5 X X
■у о
100
Рис. 4.4. Районирование по интенсивности воздействий морских льдов и развитию литодинамических процессов берегов и дна Байдарацкой губы Карского моря на трассе подводного перехода газопроводом
28
^&Р^Д1&уУуУуУ -УЛМуУЛ V ^ ~ Г- V - »ЯШ
/у-ч-ч -Щ&У'УМУТкУ •' - V - ЛМуУу^уу^чкмй,
^ у ■ • у - V -га^Жу&мААлс^
о тай®« ^^Е^л^-ААЛУ'У*^ '' - V - МГУХ
воздеиствия ледяных образобаннн : Д:'
на берега и дно байдарацкой губы карского моря
(жмчнм
ШКЙЛА ГЛУБИН В МЕТРАХ
Рис. 4.5. Воздействия ледяных образований на берега и дно Байдарацкой губы Карского моря: 1 - навалы и надвиги морских льдов на низкие берега, пляжи и осушки; 2 -область развития устойчивого припая «на дне» с участками смерзания с грунтом в приурезовой зоне, на подводных вдольбереговых валах и в мелководных заливах. Ледяные образования -гряды торосов и стамухи приурочены к подводным береговым валам. Экзарация дна ограничена слабой подвижностью припая. Сохранность ледово-экзарационных форм низкая; 3 - область развития неустойчивого припая «на плаву». Вдольбереговые гряды торосов, «ледяные плотины» и отдельные стамухи соответствуют периодам напорного сжатия и торошения в прикромочной зоне формирующегося припая, отражая стадии его проградации. Интенсивность экзарации дна -средняя. Сохранность ледово-экзарационных форм низкая; 4 - область торошений в прикромочной зоне припая. Интенсивная экзарация дна «ледяными» плотинами в результате напорных движений ледяного покрова в сторону суши и дрейфующими вдоль кромки припая ледяными тороситыми образованиями. Сохранность ледово-экзарационных форм средняя; 5 -область дрейфующих льдов. Наиболее интенсивная экзарация килями торосистых образований, вмерзших в ледяные поля, дрейфующие под действием приливных течений Сохранность ледово-экзарационных форм высокая; 6 - область дрейфующих льдов. Крупнобороздчатая экзарация килями тяжелых глубокосидящих торосистых образований, вмерзших в ледяные поля, «несяками» и обломками айсбергов, дрейфующих под действием приливных течений. Сохранность ледово-экзарационных форм высокая; 7 - область дрейфующих льдов за пределами зоны экзарационного воздействия морских льдов. Кили ледяных образований в большинстве своем не достигают дна. Вероятность актов пропашки дна крайне низкая.
4.2 Каспийское море
Каспийское море относится к частично замерзающим морям. Его северная мелководная часть замерзает ежегодно, в средней части лед появляется вдоль побережий лишь в суровые зимы, в южной части льда не бывает. Ледовый период на Северном Каспии продолжается с ноября по март. Ледовые условия характеризуются большой сложностью и изменчивостью. В экстремально холодные зимы припайный лед может устанавливаться до изобаты 20 м.
Специфика ледовых условий Северного Каспия (Бухарицин, 1984), с его относительно тонким и «теплым» льдом, коротким по сравнению с Арктикой периодом ледообразования, обусловливает относительно низкие прочностные характеристики ровного льда и, соответственно, на фоне сильных ветров, условия, особенно благоприятные для его взлома и торошения. Наиболее характерным для Северного Каспия является ветровое торошение, которому также способствуют подледные течения и сгонно-нагонные колебания уровня.
При анализе количества гряд торосов и стамух для Северного Каспия можно отметить следующую закономерность: наибольшая торосистость наблюдается в годы со средней ледовитостью холодного периода; в суровые зимы большую часть акватории занимает устойчивый припай, препятствующий слишком активному торошению; в годы с мягкими зимами, процесс торошения также ограничен не полностью покрытой льдом акваторией и малой толщиной льда (Бухарицин, 1984, 1994). Колебания уровня Каспия оказывают заметное влияние на рельеф мелководий (Игнатов, Огородов, 1998), в значительной мере определяющий торосистость Северного Каспия (Бухарицин, 1984, Болгов, 2007).
При производстве аэрогеологических работ с применением материалов аэрофотосъемки и аэровизуальных наблюдений в пределах восточного побережья Каспийского моря было обращено внимание на специфический рисунок поверхности морского дна до глубины 3 м (Кошечкин, 1958). Было предположено, что образование борозд и шрамов связано с выпахивающей деятельностью льда в период его весенних подвижек. Глыбы льда, оторвавшись от края ледяного поля, двигаются в направлении господствующих ветровых течений. При этом они сдирают поверхностный слой илистых отложений и покров водорослей и образуют за собой «шрамы выпахивания».
На глубине более 3 м многочисленные попытки документально зафиксировать микроформы ледовой экзарации с применением сейсмоакустических профилографов, эхолотов и гидролокаторов бокового обзора в центральных районах Северного Каспия не приводили к успеху. Основная причина - проведение съемок в летний период, т.е. когда с момента образования борозд выпахивания прошло уже несколько месяцев, в том числе весенних, характеризующихся как интенсивным волнением, так и высоким содержанием взвесей в волжских водах. К середине лета большинство борозд
30
были переработаны и занесены наносами, характеризующимися здесь относительно высокой подвижностью.
Только в марте 2008 г. на трассе трубопровода от месторождений Филановского и Корчагина сразу после очищения акватории ото льдов по той же методике, что и в Байдарацкой губе, нами были проведены параллельно гидролокационная съемка и промер, давшие положительный результат. Результаты обработки геофизических данных показали наличие четко выраженных в рельефе дна, в том числе и на глубоководном участке (глубина до 12 м), борозд и систем борозд выпахивания (рис. 4.6), образованных дрейфующими одно- и многокилевыми торосистыми образованиями, вмерзшими в ледяные поля. Всего на трассе трубопровода было идентифицировано 238 борозд и систем. Длина наиболее крупных и четко выраженных из обнаруженных борозд превышает первые километры; ширина единичных борозд - до 5 м, систем борозд - до 200 м; точную глубину борозд вследствие постоянного волнения установить не удалось, но, судя по данным эхограммам, она составляет до 1 м. Помимо линейных форм также были обнаружены локальные ямы, оставшиеся от стамух, сидящих на дне (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Фрагмент мозаики гидролокационной съемки (0,25x0,7 км) с отчетливо выраженной системой борозд выпахивания (1) и локальной ямой со следами застамушивания (2), глубина моря -10 м
Наиболее интенсивное воздействие морских льдов в условиях Северного Каспия имеет место на поясе торошения мористой кромки припая и зоне дрейфующих льдов, примыкающей к кромке припая. На больших глубинах торосистые образования не достают дна, а на меньших - их движения ограничены слабой подвижностью припая. Припай, в свою очередь, сдерживает воздействие дрейфующих льдов. Исходя из вышеизложенных принципов на базе батиметрической карты для условий среднемноголетней ледовитости и тороситости (умеренно холодная зима) составлена карта-схема «Районирования воздействий морских льдов на дно Северного Каспия» (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Районирование воздействий морских льдов на дно Северного Каспия
4.3 Оценка интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно
арктических морей
Интенсивность воздействия морских льдов на дно и берега является интегральным показателем глубины экзарации и количества актов пропашки. Как было показано в разделах 3.2 и 4.1 наиболее интенсивное воздействие морских льдов имеет место на поясе торошения мористой кромки припая и зоне дрейфующих льдов, примыкающей к кромке припая (рис. 4.8). На больших глубинах торосистые образования не достают дна, а на меньших - их движения ограничены слабой подвижностью припая.
береговая зона моря
зона за пределами ¡-воздействий -» морских льдов
зона наиболее интенсивного
—ледово-экзарационного->
воздействия
_зона ограниченного ледово-экзарационного воздействия
Рис. 4.8. Интенсивность ледово-экзарационных и литодинамических процессов в прибрежно-шельфовой зоне замерзающего моря
Интенсивность экзарации берегов и дна существенно меняется не только в зависимости от места на профиле подводного склона, но и от региона. Суровость климата и морфология подводного берегового склона во многом определяют толщину льдов, площадь припая, его устойчивость и глубину моря, до которой продолжается его формирование, а, следовательно, и местоположение мористой кромки припая. Не менее важный фактор, в значительной мере определяющий глубину внедрения в грунт килей ледяных образований, - это физико-механические свойства и грунта и самих торосистых образований. Физико-механические свойства грунтов определяются литолого-геоморфологическим строением прибрежно-шельфовой зоны. Прочность килей
33
и всего торосистого образования зависит от суровости климата, возраста и истории формирования данного образования.
Наряду с литолого-геоморфологическим строением прибрежно-шельфовой зоны и суровостью климата важнейшую роль в региональном распределении интенсивности экзарации дна, интервала глубин зоны наиболее интенсивной экзарации, предельной для данного района глубины моря, где экзарация еще имеет место, и максимально возможной глубины внедрения киля тороса в грунт играет глобальная система циркуляции вод и льдов в арктическом бассейне. Именно она отвечает за пространственно-временное распределение и перераспределение морских льдов, находящихся в том или ином состоянии торосистости и возраста.
Под действием глобальной циркуляции морских вод и льдов в морях Бофорта и Восточно-Сибирском, в меньшей степени Чукотском, доминирует перемещение мощных многолетних льдов из центральной части арктического бассейна в направлении к берегу. В результате кромка припая в этих морях находится под постоянным давлением ледяного покрова центральной Арктики, приводящим к исключительно интенсивным торошениям и частым актам пропашки дна прочными, хорошо консолидированными килями многолетних торосистых образований, формирующих самые крупные и самые глубоководные борозды в арктическом регионе (табл. 1).
В морях Карском, Лаптевых и Печорском доминируют отжимные явления, формируется протяженная, существующая продолжительное время полынья, отделяющая припай от относительно молодых, сформировавшихся в этот же холодный период, дрейфующих льдов толщиной от 0,3 до 2 м. Соответственно, процессы экзарации дна здесь существенно слабее по сравнению с морями восточного арктического сектора, борозды выпахивания образуются реже, они более мелкие и встречаются на меньших глубинах (табл.1).
Таблица 1
Экзарация дна ледяными торосистыми образованиями в прибрежно-шельфовой зоне морей Северного Ледовитого океана_
Печорское море Карское море Море Лаптевых ВосточноСибирское море Чукотское море Море Бофорта
Предельная глубина моря, где возможна экзарация дна морским льдом 20-25 25-35 30-40 40-60 30-50 55-65
Интервал глубин с наибольшей интенсивностью экзарации дна 8-12 15-20 20-25 20-30 15-25 20-30
Максимальная глубина ледово-экзарационных микроформ на дне 1,0-1,5 2,0-2,5 1,5-2,0 2,5-3,5 2-3 3-4
Экспертная оценка интенсивности экзарации дна в условных баллах (1-6) 1 3 2 5 4 6
5 РЕЛЬЕФООБРАЗУЮЩАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРСКИХ ЛЬДОВ В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В XXI ВЕКЕ
В XXI веке в условиях глобального изменения климата неизбежно должны произойти заметные изменения гидрометеорологических характеристик приземного слоя атмосферы, которые в свою очередь приведут к изменениям в гидросфере и литосфере. Рост температуры воздуха и воды, увеличение длины разгона волн, увеличение вероятности возникновения экстремальных штормовых нагонов на фоне увеличения продолжительности динамически активного безледного периода создают благоприятные условия для ускоренного разрушения берегов, в особенности, сложенных многолетнемерзлыми породами.
Существенно меняются характер и интенсивность экзарационного воздействия ледяных образований на дно и берега. В результате снижения продолжительности ледового сезона и толщины ледяного покрова активизируется динамика льда, увеличивается его торосистость. Вместе с тем имеет место перераспределение зоны наиболее интенсивных воздействий на более мелководные участки. На фоне сокращения ширины и устойчивости припая усиливается воздействие морских льдов на берега. Параллельно активизируется динамика ледников, в результате увеличивается сброс айсбергов, повышается вероятность выпахивания ими дна на глубоководных участках, встречи с судами и танкерами.
5.1 Влияние изменений климата на интенсивность экзарации дна ледяными образованиями
Как уже было отмечено выше, в последние десятилетия на фоне потепления климата в арктическом бассейне отмечается не только снижение ледовитости в целом, но и перестройка системы циркуляции морских вод и льдов, что приводит к переопределению областей распространения тонких молодых и толстых многолетних паковых льдов. Среди однолетних льдов в последнее десятилетие наблюдаются четко выраженные аномалии мощности ледяного покрова). Уменьшение толщины льда не может не сказываться на размере ледяных торосистых образований, осадка которых находится в прямой зависимости от толщины льда. Имеется четкая физическая зависимость между этими показателями. Из литературных источников известно, что при толщине льда 0,5-0,7 м в Каспийском море стамухи образуются до глубины 10-12 м (Гидрометеорология..., 1992), в Печорском море при толщине льда 1,0-1,4м стамухи образуются до глубины 18 метров (Ледяные образования, 2006), в Карском море при толщине льда 1,5-2,0 метра стамухи образуются до глубины 26-28 м (Ледяные образования, 2006), в Восточно-Сибирском море, где толщина однолетнего льда достигает 2,0 м, а средняя толщина распространенных здесь многолетних паковых льдов достигает 3-4 м, стамухи образуются на глубинах до
35 м (Горбунов и др., 2005). Также изменяется и граница максимального распространения припая. Моделирование параметров торосистых образований в зависимости от толщины льда также показывает четкую физическую зависимость между этими показателями. Таким образом, в условиях потепления климата будет наблюдаться снижение размеров торосов и стамух, сокращение ширины припая, что в конечном образе приведет к смещению зоны наиболее интенсивного воздействия ледяных образований на дно - в сторону суши, в зону с меньшими глубинами.
Для того чтобы получить оценку реальной интенсивности ледово-экзарационного воздействия за последний период необходимо проведение повторных съемок микрорельефа для выделения ледовых форм, образовавшихся в период между съемками. Натурные наблюдения, включая мониторинговые по одним и тем же профилям, проводятся в Байдарацкой губе Карского моря и на трассе перехода газопровода «Бованенково-Ухта» в период с 2005 по 2012 гг., совпавший с условиями заметного потепления климата и снижения ледовитости в Карском море. Проведенные наблюдения подтверждают тот факт, что в условиях потепления климата, сокращения мощности ледяного покрова, параметров ледяных торосистых образований, ширины припая - область наиболее интенсивного ледово-экзарационного воздействия сместилась на меньшие глубины. В условиях засыпанной грунтом траншеи определить молодые борозды, образовавшиеся в период после строительства трубопровода, не представляет труда: молодые борозды оставляют свои следы на свежем грунте траншеи — «как на чистом листе бумаги» (рис. 5.1). Так, если ранее максимум ледово-экзарационного воздействия (по количеству и глубине ледово-экзарационных борозд был приурочен к интервалу глубин 17-20 м, то в настоящее время эта зона сместилась на глубину 12-16 м (рис. 5.2).
Рис. 5.1. Пример формирования «свежих» борозд выпахивания над засыпанной траншеей перехода газопровода через Байдарацкую губу Карского моря
□ Плотность борозд ■ Плотность новообразованных борозд
-Профильдна -Самые глубокие борозды
Рис. 5.2. Пример результатов обработки материалов геофизической съемки за 2011-2012 гг. на трассе перехода «Бованенково-Ухта»
-25
65 63 61 59 57 55 53 51 49 47 45 43 41 39 37 3 5 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11 9 7 Расстояние от нулевой точки профиля (Ямал), км
Ледово-экзарационныв палеоформы на шельфе и па суше
Анализ распространения ледово-экзарационных форм на континентальном шельфе показывает, что эти формы распространены либо в прибрежно-шельфовой зоне в интервале глубин обычно от 10 (15) до 30 метров, либо глубже 80 метров (Лобковский, Никифоров и др., 2013). Ледово-экзарационные формы, сохранившиеся на современных глубинах более 80 м, скорее всего, образовались в конце позднего плейстоцена, когда уровень моря был ниже современного не менее чем на 60 м. Ледовые условия в этот период были экстремально тяжелыми, благоприятными для формирования крупных ледово-экзарационных форм: доминировал тяжелый многолетний паковый лед с крупными торосистыми образованиями и обломками айсбергов, имевшими прочные консолидированные кили; образование полыньи и, соответственно, развития волнения не происходило. Скорости подледной седиментации в тот период и последующие периоды голоцена были здесь чрезвычайно низкими, что способствовало сохранению крупных ледово-экзарационных форм. Таким образом, крупные глубоководные борозды, скорее всего, являются палеоформами.
Ледово-экзарационные формы рельефа можно встретить и на суше. Такие формы рельефа обнаружены нами при анализе космических и аэрофотоснимков на бывшем дне северо-восточного побережья Аральского моря (рис. 5.3). Климат Аральского моря несколько более суровый по сравнению с Северным Каспием. Мощность ровного льда колеблется от 65 до 115 см. Благодаря доминирующим в холодный период сильным северо-восточным ветрам (35% повторяемости), ледяной покров сильно наслоен и всторошен.
Рис. 5.3. Борозды ледового выпахивания на космическом снимке побережья Аральского моря, масштаб изображения - 4x6 км (снимок «СКАНЭКС»)
Падение уровня, достигавшее с середины 70-х до начала 90-х прошлого века до 70 см в год происходило так быстро, что борозды выпахивания не успевали заполняться наносами. За год осушалось несколько сразу километров поверхности бывшего дна. Волновая переработка на северо-восточном отмелом побережье практически отсутствовала в силу его отмелости и доминирования штормовых ветров, дующих все с того же северо-востока. Хорошей сохранности борозд способствовал суглинистый характер донного грунта, который здесь существенно отличается от Северного Каспия по составу.
5.2 Влияние изменений климата и ледовитости арктических морей
на динамику берегов
В сентябре 2007 г., зафиксирована самая малая площадь льдов в Северном полушарии Земли за весь период инструментальных спутниковых наблюдений, ведущихся с 1978 г. В сентябре 2012 г. этот минимум был обновлен. В арктических морях доминирует ветровое волнение. Лишь в Баренцевом и в меньшей степени Чукотском морях заметное значение имеет океанская зыбь. В результате расширения зоны открытой воды и увеличения продолжительности динамически активного периода воздействие волн на берег усилится, что, несомненно, скажется на динамике берегов, вызвав ускорение абразии (рис. 5.4).
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНОГО ПЕРИОДА - (з? < « « § — рц
П ы О Я РЗ т
ДЛИНА РАЗГОНА ВОЛН —►
<
со
о
и
< ы От
X м
к И
4
Рис. 5.4. Связь динамики берегов и ледовитости моря
38
Соответственно, абразионная эффективность периода открытой воды определяется как интенсивностью штормовых нагонов, так и продолжительностью штормового периода. Интенсивность штормовых нагонов будет зависеть от разгона волн, который определяется размером полыньи, и при ее увеличении энергия волн будет расти (рис. 5.5).
2100 Ж
-{Ж.
I /
I j и I —^^
Рис. 5.5. Сценарий развития береговой зоны замерзающего моря в условиях изменения климата и ледовитости (2000-2100 гг.)
Исследования межгодовой изменчивости потоков ветро-волновой энергии, вычисленных по методу Попова-Совершаева (1980) выявили рост значений ветро-волновой энергии от 1977 к 2011 году на фоне роста продолжительности динамически активного периода, а также период слабой ветро-волновой активности в 1998-2004 гг. (Огородов, 2011; рис. 5.6).
ооооо
ооооо ооооо
■ООООО 1000000
400000 200000
о
1977 1980 1983 198« 1989 1992 1995 1998 2001 20W 2007 2010
Рис. 5.6. Межгодовая изменчивость волновой энергии (слева) и повторяемость штормовых событий безледного периода (слева) по данным ГМС Марресаля
Ретроспективный анализ повторяемости и межгодовой изменчивости штормовых событий позволяет установить наличие и характер связи изменчивости потока ветро-волновой энергии с абразионным потенциалом. На побережье арктических морей России, где максимум годового хода средней скорости ветра и количества дней со штормовыми значениями скорости ветра приходится на октябрь и ноябрь, сдвиг даты образования ледяного покрова в сторону зимы приводит к тому, что береговая линия окажется незащищённой от воздействия волн во время наиболее интенсивных штормов. Это, в свою очередь, ведёт к ускорению абразионного процесса, что подтверждается натурными наблюдениями.
По результатам выполненных расчетов и проведенного в главе анализа влияния различных гидрометеорологических факторов на динамику берегов в условиях изменения климата и ледовитости можно утверждать, что катастрофического многократного усиления абразии арктических берегов не произойдет в силу частичной метахронности гидрометеорологических процессов и, соответственно, не полной реализации абразионного потенциала.
Эволюция берегов Печорского моря в XXI веке
В разделе дается описание тенденции в развитии берегов Печорского моря.
Береговая зона в Печорском регионе в границах, близких к современным, сформировалась примерно 6 тыс. лет назад, когда уровень моря достиг современных отметок. За истекшее с этого периода время уровень менялся незначительно, а основными рельефообразующими процессами стали волновые и термические. Благодаря длительному динамически активному периоду и наличию на мелководье запасов песчаных наносов широкое распространение также получили крупные аккумулятивные формы: береговые бары и косы.
Рыхлые высокольдистые глинистые, суглинистые и песчаные мерзлые толщи, слагающие побережье на значительном протяжении, способствовали широкому распространению термоабразионного типа берега. Скорости отступания берегов на участках, относительно слабо затронутых человеческой деятельностью в среднем составляют 1-2 м в год: на о. Песяков - 1,0-2,5 м/год (Огородов, 2003), на о. Колгуев - 0,6-2,6 м/год (Кизяков, 2004), к востоку от о. Варандей - 1,8-2,0 м/год (Новиков, Федорова, 1989), в Печорской губе - 0,4-1,2 м/год (Суздальский, Куликов, 1997).
Береговая зона Печорского моря в XXI веке претерпит существенные изменения в морфо- и литодинамическом режиме, обусловленные как глобальным влиянием изменений климата, изменением ледовитости и повышения уровня моря, так и локальным влиянием техногенного фактора. Заметное ускорение скоростей разрушения испытают, прежде всего, термоабразионные берега.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках выполненного исследования получены параметры форм рельефа, образующихся под воздействием ледяных образований на берега и дно; найдены общие закономерности ледово-экзарационных процессов, условий формирования и сохранности ледово-экзарационного микрорельефа на дне замерзающих морей; создана модель и предложены принципы районирования прибрежно-шельфовой зоны типичного замерзающего моря; разработана комплексная технология изучения ледово-экзарационного микрорельефа; даны рекомендации по заглублению инженерных сооружений; разработаны новые теоретические положения и решена крупная фундаментальная и научно-практическая проблема динамики прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей: получена качественная и количественная характеристика рельефообразующей деятельности морских льдов.
Все это позволяет сделать ряд выводов.
Морские льды способны как ограничивать гидродинамическое воздействие волн и приливов на берега и дно, так и оказывать на них прямое механическое, термическое и физико-химическое воздействия.
В большинстве арктических морей ледово-экзарационная деятельность морских льдов, как агента рельефообразования прибрежно-шельфовой зоны, по своему значению и масштабам сопоставима с гидродинамическими факторами.
Наибольшие интенсивность и глубина экзарации дна приурочены к области дрейфующих льдов, тяготеющей к кромке припая, где в течение всего холодного сезона происходят торошения и вдоль которой осуществляется дрейф ледяных полей с вмерзшими в них торосистыми образованиями, достигающими дна.
Распределение и параметры ледово-экзарационных форм на подводном береговом склоне зависят от соотношения между экзарационным процессом и гидродинамической переработкой донного микрорельефа.
При прочих равных геоморфологических и гидрометеорологических условиях региональная дифференциация интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно в арктическом бассейне определяется динамикой и возрастом ледяного покрова.
Изменения климата, ледовитости и уровня моря приводят к заметному колебанию потенциала разрушения термоабразионных берегов и пространственному перераспределению интенсивности воздействия морских льдов на берега и дно.
Создание тематических карт, графиков и гистограмм «Оценки интенсивности воздействия ледяных образований на берега и дно» является надежным методом выявления зон потенциального риска в целях обеспечения геотехнической и геоэкологической безопасности.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
в журналах, рекомендованных ВАК России для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук:
1. Белова Н.Г., Огородов С.А. Роль пластовых льдов в динамике юго-западного побережья Карского моря (по данным мониторинга абразии берегов в районах ГМС «Флокс» и «Харасавэй») // Естественные и технические науки, № 4, 2011, с. 369-371.
2. Бирюков В.Ю., Ермолов A.A., Огородов С.А. Рельеф дна Байдарацкой губы Карского моря // Вестник Московского государственного университета. Серия 5. География, 2008, № 3, С. 79-84.
3. Богородский П.В., Марченко A.B., Пнюшков A.B., Огородов С.А. Формирование припая и его воздействие на береговую зону // Океанология, 2010, т.50, №3, С. 345-354.
4. Игнатов Е.И., Огородов С.А. Морфодинамика берегов Каспийского моря в условиях колебаний его уровня // Известия русского географического общества, 1998, т. 130. вып. 6, С. 27-38.
5. Игнатов Е.И., Сафьянов Г.А., Огородов С.А. Особенности морфодинамики аккумулятивных берегов Каспийского моря на современном этапе // Геоморфология, 1999, № 1,С. 56-63.
6. Камалов A.M., Огородов С.А., Бирюков В.Ю., Совершаева Г.Д., Цвецинский A.C., Архипов В.В., Белова Н.Г., Носков А.И., Соломатин В.И. Морфолитодинамика берегов и дна Байдарацкой губы на трассе перехода магистральными газопроводами // Криосфера Земли, 2006, т. X, № 3, С. 3-14.
7. Огородов С.А. Морфодинамическое районирование береговой зоны Печорского моря // Геоморфология, 2003, № 1, С. 72-79.
8. Огородов С.А. Роль морских льдов в динамике береговой зоны арктических морей // Водные ресурсы, 2003, том. 30, № 5, С. 555-564.
9. Огородов С.А. Морфолитодинамика береговой зоны Варандейского района Печорского моря в условиях техногенного прессинга // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2004, № 3, С. 273-278.
10. Огородов С.А. Влияние изменений климата и ледовитости арктических морей на динамику берегов Евразии // Проблемы Арктики и Антарктики, 2008,1(78), С. 123-128.
11. Огородов С.А. Морские льды в динамике рельефа береговой зоны // Естественные и технические науки, 2008, № 4, С. 189-198.
12. Огородов С.А. Оценка интенсивности воздействий морских льдов на дно Байдарацкой губы Карского моря // Естественные и технические науки, 2008, №4, С. 199-205.
13.Огородов С.А. Экзарация дна морскими льдами как фактор возникновения экологически опасных ситуации на трассе подводного перехода трубопроводами и кабелями связи Байдарацкой губы Карского моря // Проблемы региональной экологии, 2008, №4, С. 177-182.
14. Огородов С.А. Критерии стабильности (устойчивости) арктических берегов // Естественные и технические науки, №6, 2010, С. 356-358.
15. Огородов С.А., Архипов В.В. Экзарация дна Каспийского моря ледяными торосистыми образованиями // Доклады Академии наук, 2010, т. 432, № 3, с. 403—407.
16. Огородов С.А., Головчанский А.Ю. Организация сети мониторинга динамики берегов и колебаний уровня моря на базе станций Росгидромета: методология и практика // Естественные и технические науки. 2010. № 5. С. 340-343.
17. Огородов С.А., Носков А.И., Белова Н.Г., Кокин О.В., Марченко А.В. Воздействие морских льдов на берега, дно и инженерные сооружения в прибрежно-шельфовой зоне российской Арктики // Естественные и технические науки. 2010. № 5. С. 344-348.
18. Огородов С.А., Полякова Е.И., Каплин П.А. Эволюция береговых баров Печорского моря // Доклады Академии Наук, География, 2003, т. 388, № 3, С. 392-394.
19. Огородов С.А., Романенко Ф.А., Соломатин В.И. М.В.Ломоносов и Северный морской путь // Вестник Московского университета. Серия 5. Геогр., 2011, 5, С.11-17.
20. Огородов С.А., Шестов А.С., Архипов В.В., Баранская А.В., Вергун А.П., Кокин О.В., Марченко А.В., Цвецинский А.С. Современный ледово-экзарационный рельеф на шельфе Западного Ямала: натурные исследования и моделирование // Вестник НГУ. Серия: Математика, механика, информатика. 2013, Т. 13, вып. 3. С. 77-89.
21.Павлидис Ю.А., Никифоров С,Л., Огородов С.А., Тарасов Г.А. Печорское море: прошлое, настоящее, будущее // Океанология, 2007. т. 47, № 6, С. 927-939.
22. Соломатин В.И., Великоцкий М.А., Огородов С.А., Романенко Ф.А., Бирюков В.Ю. Геокриология: новые подходы к решению проблем освоения Севера (к 40-летию Лаборатории геоэкологии Севера) // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2010. № 1. С. 84-89.
23.Шестов А.С., Марченко А.В., Огородов С.А. Математическое моделирование воздействия ледяных образований на дно Байдарацкой губы Карского моря // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып.5, 2011, 63(347), С. 105-118.
24. Bogorodskii, P.V., Marchenko, A.V., Pnyushkov, A.V., and Ogorodov, S.A. Formation of Fast Ice and Its Influence on the Coastal Zone of the Arctic Seas // Oceanology, 2010, Vol. 50, No. 3, P. 317-326.
25.Lantuit, H., Overduin, P.P., Couture, N., Wetterich, S., Are, F., Atkinson, D., Brown, J., Cherkashov, G., Drozdov, D., Forbes, D., Graves-Gay lord, A., Grigoriev, M., Hubberten, H.W., Jordan, J., Jorgenson, Т., Odegard, R.S., Ogorodov, S., Pollard, W., Rachold, V., Sedenko, S., Solomon, S., Steenhuisen, F., Streletskaya, I., Vasiliev, A. The Arctic Coastal Dynamics database. A new classification scheme and statistics on arctic permafrost coastlines // Estuaries and Coasts, 2012, Volume 35, Number 2, 383-400, DOI: 10.1007/sl 2237-010-9362-6.
26. Ogorodov, S.A. The Role of Sea Ice in the Coastal Zone Dynamics of the Arctic Seas // Water Resources, 2003, Vol. 30, N 5, P. 509-518.
27. Ogorodov, S.A. Human impacts on coastal stability in the Pechora Sea // Geo-Marine Letters. An International Journal of Marine Geology, 2005, Vol. 25, N 2-3, P. 190-195.
28. Ogorodov, S.A., Polyakova, Ye.I. and Kaplin, P.A. Evolution of Barrier Beaches in the Pechora Sea // Doklady Earth Sciences, 2003. Vol. 388, N. 1-3, P. 114-116.
29. Ogorodov, S.A., Kamalov, A.M., Zubakin, G.K. and Gudoshnikov, Yu.P. The role of sea ice in coastal and bottom dynamics in the Pechora Sea // Geo-Marine Letters. An International Journal of Marine Geology, 2005, Vol. 25, N 2-3, P. 146-152.
30.Pavlidis, Yu.A., Nikiforov, S.L., Ogorodov, S.A. and Tarasov, G.A The Pechora Sea: Past, Recent, and Future // Oceanology, 2007, Vol. 47, No. 6, P. 865-876.
Монографии:
31. Огородов С.А. Глава 2.2. Роль морских льдов в динамике берегов и дна арктических морей // Ледяные образования морей Западной Арктики. Под ред. Г.К. Зубакина. С.-Петербург. ААНИИ. 2006. С. 139-164.
32. Огородов С.А. Роль морских льдов в динамике рельефа береговой зоны, М.: Изд-во Московского университета, 2011, 173 с.
33,Overduin P., Solomon S., Atkinson D.E., Dallimore S.R., Eicken H.( Forbes D.L., Grigoriev M., Holmes R.M., James T.S., Manson G.K., McClelland J.W., Mueller D., 0degard R., Ogorodov S., Proshutinsky A., Wetterich S. 2.1 Physical State of the Circum-Arctic Coast // State of the Arctic Coast 2010 - Scientific Review and Outlook. International Arctic Science Committee, Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone, Arctic Monitoring and Assessment Programme, International Permafrost Association. Helmholtz-Zentrum, Geesthacht, Germany, 2011, P. 11-39.
Другие публикации по теме диссертации:
34. Огородов С.А., Белова Н.Г., Кузнецов Д.Е., Носков А.И. Использование материалов разновременных аэрокосмических съемок в целях исследования динамики берегов Карского моря // Земля из космоса - наиболее эффективные решения, 2011,10, С. 66-70.
35.Огородов С.А., Марченко А.В., Цвецинский А.С., Шестов А.И., Архипов В.В. Воздействие ледяных образований на дно Байдарацкой губы Карского моря: натурные исследования и математическое моделирование // Труды ГОИН, Вып. 211, Исследования океанов и морей, Обнинск, 2008, С. 152-177.
36.Шабанова Н.Н., Огородов С.А. Повторяемость штормовых событий безлёдного периода как фактор динамики береговой зоны Ямала // Морские берега - эволюция, экология, экономика: Материалы XXIV Международной береговой конференции, посвященной 60-летию Рабочей группы Морские берега, Т.1,2012, С.362-367.
37.Marchenko, A.V., Ogorodov, S.A., Shestov, A.V. and Tsvetsinsky A.S. Ice gouging in Baidaratskaya bay of the Kara Sea: field studies and numerical simulations // Proceeding of 19th International Conference on Port and Ocean Engineering Under Arctic Conditions "Recent Development of Offshore Engineering in Cold Regions", POAC-07, Dalian, China, June 27-30. Dalian University of Technology Press, Dalian, 2007, P. 747-759.
38. Ogorodov, S.A. Application of wind-energetic method of Popov-Sovershaev for investigation of coastal dynamics in the Arctic // Arctic Coastal Dynamic. Report of an International Workshop. Potsdam (Germany) 26-30 November 2001. Reports on Polar and Marine Research. Edited by V. Rachold et al. Bremerhaven. 2002, Vol. 413,37-42.
39. Ogorodov, S.A. The Role of Wave Energy in Dynamics of Arctic Coasts Formed by Deposits with Low Ice Content // Arctic Coastal Dynamics. Report of the 5rd International Workshop McGill University, Montreal (Canada) 13-16 October 2004. Ed. by V.Rachold et al. Reports on Polar and Marine Research. Bremerhaven. 2005, V.506, P.82-85.
40. Ogorodov, S.A. The role of sea ice in coastal and bottom dynamics in the Pechora Sea // Pechora Sea Environments: Past, Present, and Future. Edited by H.A. Bauch et al. Reports on Polar and Marine Research. Bremerhaven. 2005, Vol. 501, P. 113-124.
41. Ogorodov, S.A. Effects of Changing Climate and Sea Ice Extent on Pechora and Kara Seas Coastal Dynamics // Proceedings of the Ninth International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska, US, 2008, Vol. 2, P. 1317-1320.
42. Ogorodov, S.A. The Role of Sea Ice in Coastal and Bottom Dynamics in the Baidaratskaya Bay // Extended Abstracts of the Ninth International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska, US, 2008, P. 231-232.
43. Ogorodov S.A. Barents Sea Coasts // Geography, Environment, Sustainability, 2011, No 03 [v. 04]. P. 34-51.
44. Ogorodov, S., Arkhipov, V., Kokin, O., Marchenko, A., Overduin, P, Forbes, D. Ice effect on coast and seabed in Baydaratskaya Bay, Kara Sea // Geography, Environment, Sustainability, 2013, N. 03 [v. 06], P. 32-50.
Подписано в печать 17.02.2014г. Печать лазерная
Заказ № 5678 Тираж: 150 экз.
Типография «FixPrint» ИНН 503900523316 142290, Пущино, м-н «АБ», 22 (4967) 75-97-84 vvww.fix-print.ru
Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Огородов, Станислав Анатольевич, Москва
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В.ЛОМОНОСОВА
Географический факультет
05201450880
ОГОРОДОВ Станислав Анатольевич
РЕЛЬЕФООБРАЗУЮЩАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
МОРСКИХ ЛЬДОВ
25.00.25 - геоморфология и эволюционная география
Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук
Научный консультант: д.ф.-м.н., А.В.Марченко
Москва-2014
На правах рукописи
Оглавление
Введение..................................................................................................................3
1 Рельефообразующая деятельность морских льдов: история исследований и постановка проблемы...........................................................17
2 Динамика прибрежно-шельфовой зоны замерзающего моря: основные понятия и определения....................................................................26
3 Классификация воздействий морских льдов на берега и дно............44
3.1 Защитная роль припая и дрейфующих льдов.......................................45
3.2 Экзарация берегов и дна морскими льдами. Морфология и морфометрия образовавшихся форм рельефа................................................50
3.3 Транспорт наносов морскими льдами...................................................71
3.4 Местный размыв дна, обусловленный особенностями ледовых условий. Прочие виды ледовых воздействий.................................................79
3.5 Формирование мерзлых пород в контактной зоне лед-дно................83
4 Региональные особенности воздействий морских льдов на берега
и дно........................................................................................................................89
4.1 Байдарацкая губа Карского моря...........................................................90
4.1.1 Ледовые условия........................................................................................91
4.1.2 Методика натурных исследований..........................................................99
4.1.3 Оценка интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно 112
4.2 Каспийское море....................................................................................138
4.3 Оценка интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно арктических морей..........................................................................................157
5 Рельефообразующая деятельность морских льдов в условиях климатических изменений в XXI веке..........................................................166
5.1 Влияние изменений климата на интенсивность экзарации дна ледяными образованиями...............................................................................170
5.1.1 Ледово-экзарационные палеоформы на шельфе и на суше.................176
5.2 Влияние изменений климата и ледовитости арктических морей на динамику берегов............................................................................................182
5.2.1 Эволюция берегов Печорского моря в XXI веке..................................206
Заключение.........................................................................................................218
Список литературы...........................................................................................221
Альбом-глоссарий терминов форм рельефа, процессов и явлений, возникновение которых связано с ледовым фактором.............................256
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Морские льды как зональный фактор играют важную роль в динамике рельефа прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей. Существующие режимно-климатические данные по морским льдам не дают представления о динамике рельефа и используются в основном для обеспечения судоходства в Арктике. Расширяющееся освоение месторождений и строительство различных объектов нефтегазовой отрасли (подходные каналы, резервуарные парки, терминалы, буровые платформы, подводные трубопроводы и кабели связи) как на берегах, так и на шельфе требуют нового уровня знаний о влиянии морских льдов на динамику рельефа берегов и дна. При проектировании подводных трубопроводов и кабелей связи в арктических и других замерзающих морях необходимы достоверные оценки интенсивности воздействий ледяных торосистых образований на дно и глубины их внедрения в грунт. Недооценка величин экзарации дна может привести к повреждению инженерных сооружений, в тоже время излишнее заглубление объектов сильно удорожает их строительство.
В настоящее время, когда в связи с активизацией ресурсной деятельности в Арктике и на Дальнем Востоке слова Михаила Васильевича Ломоносова «...Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном...» (Ломоносов, 1763) как никогда актуальны и воплощаются в жизнь, вопрос оценки интенсивности воздействий льдов на берега и дно приобретает все большую практическую ценность и значимость. Именно фактор ледовых воздействий может стать лимитирующим для строительства инженерных сооружений в береговой зоне. Недостаточный учет ледового фактора может обернуться не только значительными материальными потерями, свести «на нет» рентабельность добычи сырья, но и в ряде случаев привести к катастрофическим экологическим последствиям.
Имеющаяся в настоящее время нормативная база по методам исследований воздействий ледяных образований (торосов и стамух) ограничивается несколькими абзацами в разделе «Литодинамические исследования» Строительных Норм и Правил (СП 11-114-2004) и не удовлетворяет современные потребности развития науки и техники. Нормативные значения заглубления линейных инженерных сооружений в береговой зоне замерзающих морей не разработаны вообще.
Таким образом, актуальность исследования определяется, с одной стороны, необходимостью развития фундаментальных основ данного научного направления, с другой - потенциальной значимостью в связи с необходимостью обеспечения геоэкологической безопасности при строительстве и эксплуатации промышленных объектов в прибрежно-шельфовой зоне арктических и других замерзающих морей России.
Объектом исследования является прибрежно-шельфовая зона замерзающего моря. Прибрежно-шельфовая зона моря как область взаимодействия литосферы, гидросферы и атмосферы, отличается исключительно высокой динамичностью. Одним из важнейших факторов динамики этой зоны являются морские льды. Морские льды способны оказывать как прямое механическое, термическое и физико-химическое воздействие на берега и дно, так и ограничивать воздействие других факторов, ответственных за динамику прибрежно-шельфовой зоны, например, волн и течений. Совокупность процессов и явлений, определяющих роль морских льдов в динамике рельефа прибрежно-шельфовой зоны, составляет предмет настоящего исследования. Основное внимание в работе отдано механическим воздействиям морских льдов, приводящим к наиболее заметным изменениям рельефа прибрежно-шельфовой зоны.
Цель и задачи исследования. Цель работы - дать качественную и количественную характеристику рельефообразующей деятельности
морских льдов как фактора динамики прибрежно-шельфовой зоны арктических и других замерзающих морей.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие частные задачи:
- собраны, обработаны и обобщены материалы отечественных и зарубежных исследований воздействий морских льдов на берега и дно замерзающих морей;
- проведена типизация воздействий морских льдов на берега и дно;
- выполнено описание морфологических и морфометрических признаков форм и микроформ рельефа, образовавшихся в результате динамических воздействий морских льдов в прибрежно-шельфовой зоне арктических и других замерзающих морей;
- для типичной мелководной акватории замерзающего моря получены количественные оценки предельных глубин экзарации дна и берегов ледяными торосистыми образованиями (торосами, стамухами, несяками);
- выполнены оценки сохранности форм ледово-экзарационного рельефа и интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно мелководной замерзающей акватории в зависимости от глубины моря, рельефа дна и транспорта наносов в береговой зоне;
- составлена схема районирования прибрежно-шельфовой зоны типичного замерзающего моря по видам и интенсивности рельефообразующих воздействий морских льдов;
- определены факторы региональной дифференциации интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно;
- выполнены оценки влияния изменений климата на интенсивность экзарации дна ледяными образованиями;
- выполнены оценки влияния изменений климата и ледовитости арктических морей на динамику берегов;
- разработана технология оценки интенсивности воздействий ледяных образований на берега и дно замерзающих морей.
Теоретические основы исследования и личный вклад автора.
Диссертация выполнена в Лаборатории геоэкологии Севера Географического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова в тесном сотрудничестве с Отделом прикладных морских и водохозяйственных исследований и изысканий Государственного океанографического института имени Н.Н.Зубова.
В основу диссертации положен обширный фактический материал, собранный в рамках работ, в которых автор являлся руководителем и ответственным исполнителем, в том числе по проектам Министерства образования и науки РФ: г/к № 02.442.11.7518 «Роль морских льдов в динамике берегов и дна арктических морей» и г/к № 02.442.11.7193 «Динамика берегов западного сектора арктических морей России в условиях глобальных климатических изменений и локальных техногенных нарушений» ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы; № П1574 от 10 сентября 2009 г. «Разработка научных основ и методов проведения мониторинга динамики берегов и колебаний уровня моря с целью последующего внедрения на станциях Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», г/к № П1739 «Воздействия морских льдов на берега, дно и гидротехнические сооружения в прибрежно-шельфовой зоне Российской Арктики», г/к № П2393 «Абразия берегов и экзарация дна ледяными образованиями как факторы риска возникновения природных и техногенных катастроф в прибрежно-шельфовой зоне морей России», г/к № П1099 «Экзарация дна Северного Каспия ледяными торосистыми образованиями», г/к 14.740.11.0295 «Прогноз динамики берегов, сложенных дисперсными многолетнемерзлыми породами, в условиях изменения климата и ледовитости арктических морей в XXI веке»; соглашение № 8508 «Воздействия ледяных образований на дно морей Российской Арктики: анализ натурных наблюдений и моделирование» ФЦП «Научные и научно-
педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы; грантам РФФИ № 05-05-64258 «Роль морских льдов в динамике рельефа береговой зоны», РФФИ-ОФИ № 07-05-12072 «Разработка технологии оценки интенсивности динамических воздействий морских льдов на берега, дно и подводные инженерные сооружения» и РФФИ-Гельмгольц № 09-05-91322 «Оценка восприимчивости арктической береговой динамики к изменениям».
Кроме того, большой объем натурного фактического материала получен лично автором во время многолетних экспедиционных исследований и изысканий на Белом, Баренцевом, Печорском, Карском, Охотском и Каспийском морях, проводившихся в связи с проектированием различных инженерных сооружений, прежде всего, подводных трубопроводов и кабелей связи. Дополнительно использовано большое количество, в основном зарубежных, литературных источников и открытых фондовых материалов Лаборатории геоэкологии Севера географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, ФГБУ ГОИН, ВНИГМИ МВД, АМИГЭ, ВНИИОкеангеология, ВНИИГАЗ и ААНИИ, а также данные из сети Интернет.
Научная новизна диссертационной работы заключается в существенном развитии и систематизации существующих представлений о рельефообразующей деятельности морских льдов, в том числе:
- составлена полная классификация видов воздействий морских льдов на берега и дно;
- определена роль морских льдов как одного из наиболее значимых факторов формирования и динамики рельефа прибрежно-шельфовой зоны замерзающих морей;
- предложена новая схема районирования прибрежно-шельфовой зоны типичного замерзающего моря по видам и интенсивности воздействий ледяных торосистых образований;
- сформулировано представление об интенсивности экзарации и степени сохранности ледово-экзарационных микроформ в рельефе дна;
- определены факторы локальной и региональной дифференциации интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно;
- проведена интегральная оценка и выполнено ранжирование арктических морей по интенсивности ледово-экзарационных воздействий морских льдов;
- выполнена оценка влияния изменений климата на рельефообразующую деятельность морских льдов.
Важнейшие результаты диссертационной работы сформулированы в виде защищаемых положений:
1. Воздействия морских льдов на берега и дно можно разделить на две группы: (1) косвенное - выражается в защитной роли припая и дрейфующих льдов от волн и приливов; (2) прямое, включающее экзарацию берегов и дна; транспорт наносов морскими льдами; местный размыв дна, обусловленный особенностями ледовых условий; формирование мерзлых пород в контактной зоне лед-дно. Среди этих процессов наиболее опасным является экзарация - деструктивное механическое воздействие льдов на грунт, связанное с динамикой ледяного покрова, торошением и стамухообразованием под влиянием гидрометеорологических факторов и рельефа прибрежно-шельфовой зоны.
2. Рельефообразующая деятельность морских льдов в прибрежно-шельфовой зоне большинства замерзающих морей находится в одном ранге с волнением и приливами. Параметры форм рельефа, созданных под воздействием морских льдов, могут достигать по глубине - первых метров, по ширине - первых десятков метров, по протяженности - нескольких километров, а объемы транспорта наносов на отдельных участках профиля подводного склона сопоставимы или превышают объемы наносов, перемещаемых под действием волн и течений. Таким образом, в замерзающих морях внешнюю границу береговой зоны целесообразно
проводить на глубине, начиная с которой прекращается волновая переработка ледово-экзарационных форм, а ледово- экзарационный микрорельеф становится доминирующим.
3. Интенсивность экзарации дна определяется ледовыми условиями, глубиной акватории и геоморфологией дна. Наибольшие интенсивность и глубина экзарации дна приурочены к области дрейфующих льдов, тяготеющей к кромке припая, где в течение всего холодного сезона происходят торошения и вдоль которой осуществляется дрейф ледяных полей с вмерзшими в них торосистыми образованиями, достигающими дна. С увеличением глубины моря вероятность образования и встречи тороса, килем достигающего дна, падает, вследствие чего уменьшается число актов пропашки. В пределах припая динамические воздействия морских льдов на дно ограничены его слабой подвижностью и локализованы вокруг стамух и гряд торосов, «сидящих» на подводных береговых валах.
4. Встречаемость и глубина борозд выпахивания характеризуют сохранность ледово-экзарационного микрорельефа, которая зависит как от давности акта пропашки, так и интенсивности развития литодинамических процессов. Благодаря низким скоростям седиментации на больших глубинах происходит «накопление» ледово-экзарационных форм, в то же время, в области волновых деформаций такие формы достаточно быстро перерабатываются. Кроме того, сразу после пропашки дна килем тороса имеет место частичное заполнение борозд в результате обрушения бортиков обваловки. Таким образом, для оценки максимальной глубины внедрения киля тороса в грунт и вероятностного определения частоты актов пропашки соответствующей глубины, характеристик встречаемости и глубины борозд недостаточно.
5. Региональная дифференциация интенсивности воздействий морских льдов на берега и дно, включая интервал глубин зоны наиболее интенсивной экзарации, предельную глубину моря, до которой возможно воздействие килей торосов на дно, и максимальную глубину их внедрения
в грунт, определяется геоморфологическим строением прибрежно-шельфовой зоны, суровостью климата и системой циркуляции морских вод и льдов. Именно она отвечает за пространственно-временное перераспределение морских льдов различных типов. Так в арктическом бассейне наиболее интенсивные воздействия морских льдов фиксируются в прибрежно-шельфовой зоне морей, находящихся под напорным воздействием многолетних дрейфующих льдов из центральной Арктики. В тех арктических морях, где доминируют отжимные явления и формируются молодые льды, интенсивность воздействий морских льдов на берега и дно существенно ниже.
6. Потепление климата и вызванные им снижение ледовитости вместе со снижением мощности ледяного покрова, ширины развития припая и размеров ледяных образований приводят к смещению зоны наиболее интенсивного ледово-экзарационного воздействия в сторону суши. Рост температуры воздуха и воды, увеличение длины разгона волн, увеличение вероятности возникновения экстремальных штормовых нагонов на фоне увеличения продолжительности динамически активного безледного периода создают синергетически благоприятные условия для роста абразионного потенциала разрушения берегов, сложенных дисперсными многолетнемерзлыми породам�
-
Огородов, Станислав Анатольевич
-
доктора географических наук
-
Москва, 2014
-
ВАК 25.00.25
- Динамика термоденудационных процессов в районах распространения залежей пластовых льдов
- Неоднородное напряженное состояние морского льва
- Криогенные склоновые процессы и их геоэкологические последствия в условиях распространения пластовых льдов
- Происхождение деформаций криолитогенных четвертичных отложений Карского региона
- Исследование дрейфа льда северо-восточного шельфа о. Сахалин
