Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Связь естественных криогенных процессов с динамикой тундровых ландшафтов на примере подзоны типичных тундр Карского региона

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Связь естественных криогенных процессов с динамикой тундровых ландшафтов на примере подзоны типичных тундр Карского региона"

На правах рукописи

00460273

Хомутов Артем Валерьевич

СВЯЗЬ ЕСТЕСТВЕННЫХ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ С ДИНАМИКОЙ ТУНДРОВЫХ ЛАНДШАФТОВ НА ПРИМЕРЕ ПОДЗОНЫ ТИПИЧНЫХ ТУНДР КАРСКОГО РЕГИОНА

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

2 О УАЗ 2950

Тюмень 2010

004602733

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте криосферы Земли Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

Лейбман Марина Оскаровна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Дроздов Дмитрий Степанович

кандидат географических наук Марьинских Дмитрий Михайлович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Тюменский государственный

нефтегазовый университет»

Защита состоится 21 мая 2010 г. в 91Ю на заседании диссертационного совета ДМ 003.042.02 в Институте криосферы Земли СО РАН по адресу: 625026, г. Тюмень, ул. Малыгина, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института криосферы Земли СО РАН по адресу, г. Тюмень, ул.Таймырская, 74.

Автореферат разослан «21» апреля 2010 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять ученому секретарю Совета по адресу: 625000, Тюмень, а/я 1230, e-mail: lpodenko@ikz.ru, sciensec@ikz.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

JI.C. Поденко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Карский регион характеризуется активным проявлением процессов термоденудации, связанных с широким распространением залежеобразующих подземных льдов. При этом недостаточно применяется комплексный подход к изучению роли различных компонентов ландшафта в активизации термоденудации, и влияния естественных криогенных процессов на формирование облика природных комплексов. Оценка взаимодействия природных комплексов и криогенных процессов более продуктивна при использовании новых технических возможностей, позволяющих получать и анализировать мониторинговые данные. Разработка методики совмещения наземных полевых и дистанционных методов исследования, направленная на прогноз вероятности активизации процессов термоденудации, решает важную проблему оценки динамики природных комплексов в типичной тундре.

Цель диссертационной работы - установить связи процессов термоденудации и изменчивости глубины протаивания с пространственно-временной дифференциацией ландшафтов на побережье и в глубине суши для усовершенствования методов оценки устойчивости природных комплексов к активизации этих процессов.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Изучить пространственно-временную дифференциацию ландшафтов на ключевых участках, расположенных в подзоне типичной тундры, но отличающихся местоположением относительно морского побережья, на которых наблюдаются активные рельефообразующие процессы и имеются следы техногенного воздействия.

2. Обобщить данные мониторинга отступания берегов в пределах различных природных комплексов и создать методику оценки устойчивости природных комплексов к термоденудации на морском побережье.

3. Проанализировать распространение криогенных оползней в зависимости от ландшафтных условий и создать методику оценки опасности активизации криогенного оползания на удаленной от моря территории.

4. Изучить пространственную дифференциацию количественных показателей растительности и доминирующих растительных формаций в пределах природных комплексов на локальном уровне и оценить их влияние на пространственную и межгодовую динамику глубины протаивания.

Материалы, используемые в работе. Основу работы составляют материалы, полученные автором в ходе экспедиционных работ в 2005-2008 гг. на

ключевых участках Югорского полуострова и Центрального Ямала. Задокументировано более 1000 точек описания, в том числе 450 с детальными описаниями и измерениями глубины сезонного протаивания. Использованы аэрофотоснимки, космический снимок Landsat 7 (ЕТМ+), данные тахеометрической съемки, данные мониторинга за отступанием арктических берегов и за глубиной сезонного протаивания. Также использовались материалы, полученные на этих участках в предшествующие годы, и другие опубликованные материалы. Защищаемые положения:

1. Методика балльной оценки устойчивости ландшафтов к термоденудации на основе определения влияния компонентов ландшафта на скорость отступания бровки морского побережья.

2. Методика оценки опасности криогенного оползания с применением количественных методов и экспертных оценок распространенности и размеров современных оползней в пределах разных природно-территориальных комплексов.

3. Вегетационные индексы, обобщающие в себе количественные характеристики растительного покрова, совместно с доминирующей растительностью определяют пространственную изменчивость глубины сезонного протаивания и потому могут быть использованы для её картографирования.

Научная новизна

1. Предложен и апробирован новый метод балльной оценки устойчивости ландшафтов к термоденудации на основе определения влияния компонентов ландшафта на скорость отступания бровки морского побережья.

2. Предложен и апробирован новый метод оценки оползневой опасности на основе анализа распространения и количественных характеристик современных оползней, приуроченных к определенным природно-территориальным комплексам.

3. Установлено, что глубина сезонного протаивания обратнопропорциональна значениям нормализованного относительного индекса растительности (NDVI) и индекса листовой поверхности (LAI), что позволяет картографировать глубину сезонного протаивания на основании данных дистанционного зондирования.

Научная и практическая значимость работы. Методы оценки и создания различных карт-схем и иных материалов применены в рамках совместного международного проекта «Greening of the Arctic» Международного полярного года 2007/2009, а также при составлении карты нарушений вдоль трассы газопровода «Заполярное-Уренгой» и базы данных естественных и естественно-техногенных криогенных процессов для территории Харасавейского месторождения. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для анализа

распространения опасных криогенных процессов при обосновании и сопровождении проектов разработки, обустройства месторождений и прокладки трубопроводов в пределах Арктических равнин Карского региона в тундровой зоне, например при освоении Бованенковского и Харасавейского ГКМ и проектировании перехода магистрального газопровода через Байдарацкую губу.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на международных конференциях, проводимых Научным Советом по криологии Земли РАН (Тюмень, 2006, 2008, Салехард, 2007), на 9-й Международной конференции по мерзлотоведению (Фербенкс, США, 2008), на Генеральной Ассамблее Европейского географического союза - EGU (Вена, Австрия, 2009) и Международной конференции «Вклад России в МПГ» (Сочи, 2009), а также на нескольких всероссийских конференциях.

Публикации. Результаты представлены в 17 публикациях, в том числе 2 из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 182 наименований и приложений. Общий объем работы 183 с.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю дх-м.н., г.н.с. ИКЗ СО РАН, М.О.Лейбман за помощь в написании работы, руководство полевыми работами и предоставленные материалы прошлых исследований. Автор признателен к.т.н. А.А.Губарькову (ТюмГНГУ) за ценные советы, консультации и помощь в проведении полевых работ, дх.н Н.Г.Москаленко (ИКЗ СО РАН) за научные консультации и предоставленные материалы, д.г.-м.н. Е.А.Слагоде, к.г.н Н.Г.Украинцевой (ИКЗ СО РАН) за ценные советы и замечания.

Автор благодарен за помощь в проведении полевых работ кхл. А.И.Кизякову (ИКЗ СО РАН) на Югорском полуострове и О.В.Коростелёвой (МГУ) на Ямале, сотрудникам ФГУП «ВНИИокеангеология» под руководством к.г.-м.н Ю.Г.Фирсова, участвовавшим в проведении тахеометрической съемки на побережье Югорского полуострова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Состояние изученности, характеристика ключевых участков и методы исследований

Изученность взаимосвязи тундровых ландшафтов с термоденудацией.

Наиболее подробный обзор современного состояния исследований динамики морских берегов представлен в работах А.А.Васильева (2004) и А.И.Кизякова (2005). К настоящему времени изучены некоторые физические, геологические,

геокриологические закономерности динамики берегов и развития термоденудационных процессов, а комплексное исследование факторов, среди которых находится место для компонентов ландшафтов, развивается сравнительно недавно и отражено в работах М.О.Лейбман, А.А.Васильева, Н.Г.Москаленко. Однако, взаимосвязь тундровых ландшафтов с термоденудацией на Арктических побережьях изучена недостаточно. Возникает необходимость более детального рассмотрения взаимного влияния ландшафтных факторов и динамики морских берегов на локальных участках, для дальнейшей интерполяции результатов на более обширные территории со схожими природными условиями.

Изучение ландшафтных особенностей в связи с развитием криогенного оползания в Карском регионе также актуально в связи с активизацией этого процесса последние десятилетия и с соответствующим преобразованием естественно нарушенных оползанием ландшафтов. Как распространение, так и взаимодействие процесса криогенного оползания с ландшафтной структурой, довольно подробно изучено. Необходимо отметить работы Н.Г.Украинцевой, в которых основной целью ставится оценка распространения криогенных оползней, определение возраста оползневых склонов с помощью методов ландшафтной индикации. Изучение распространения криогенных оползней невозможно без опоры на комплексные исследования процесса криогенного оползания, которым посвящены работы М.О.Лейбман, чьё внимание, особенно после катастрофического схода оползней на Центральном Ямале в 1989 г., направлено на выявление морфологии, распространения, приуроченности криогенных оползней к тем или иным ландшафтным, геоморфологическим, литологическим условиям, и на определение возраста криогенных оползней. С учетом накопленного опыта возникает необходимость дальнейшего изучения взаимодействия процесса криогенного оползания с ландшафтной структурой с более широким применением цифровых аэрокосмических материалов.

При всей детальности количественных оценок корреляции характеристик растительного покрова и глубины сезонного протаивания (работы А.П.Тыртикова, Н.Г.Москаленко, Г.Г.Осадчей, М.О.Лейбман), для этих целей пока не использовались высокотехнологичные количественные методы. Развитие технической базы полевых исследований позволяет использовать для корреляции характеристик растительного покрова и глубины протаивания нормализованный относительный индекс растительности (NDVI) и индекс листовой поверхности (LAI) с детальным учетом растительных формаций и видового разнообразия в пределах экспериментальных площадок.

Характеристика районов работ. Экспедиционные работы велись в Карском регионе на ключевых участках на морском побережье («Первая Песчаная» и «Шпиндлер» на Югорском полуострове) и в глубине суши («Васькины Дачи» на Центральном Ямале) в 2005-2008 гг. Все ключевые участки находятся в одной природной подзоне типичных тундр и, соответственно, обладают схожими климатическими условиями и характером почвенно-растительного покрова. Однако, из-за разного положения ключевых участков относительно побережья, прослеживаются довольно значительные различия как в ландшафтном отношении, так и в условиях проявления криогенных процессов. На Центральном Ямале динамику криогенных процессов определяют климатические факторы (температура воздуха, летние осадки, ветер), а также термоэрозия и нивация, способствующие вскрытию пластовых льдов. На побережье Югорского п-ова к перечисленным факторам добавляется влияние моря (волнение, штормовая активность, ледовый режим).

На побережье Югорского п-ова в непосредственной близости от моря, выступающего базисом эрозии, происходит формирование обширных термоцирков с обнажающимися пластовыми льдами. Ключевой участок на Центральном Ямале является представительным для изучения взаимодействия ландшафтов и криогенного оползания с формированием отдельных криогенных оползней и оползневых цирков. Ведущийся здесь мониторинг сезонного протаивания позволяет изучать его корреляции с характеристиками растительного покрова.

Методы исследований. На Карском побережье в условиях распространения пластовых льдов на полевом этапе исследований изучались распространение и динамика термоденудационных форм рельефа, а также ландшафтная структура территории. В полевых условиях производилось дешифрирование аэрофото- и космоснимков, проведена топографическая и СРБ-съемка ключевых термоцирков на Югорском п-ове в 2005-2007 гг., использовалась сеть реперов для повторного измерения отступания бровок термоцирков и берегового уступа. В маршрутах проводилась ландшафтная съемка изучаемого участка побережья. В ходе сопоставления полевых материалов рассчитаны скорости отступания морских берегов, оценена динамика развития термоцирков на изучаемых участках в зависимости от ландшафтных особенностей, составлены карты-схемы дифференциации ПТК ключевых участков, карты-схемы устойчивости ПТК к отступанию, проведена балльная оценка влияния ландшафтных факторов на скорость отступания термоденудационных бровок.

В условиях консервации пластовых льдов, на ключевом участке «Васькины Дачи» проводилось изучение дифференциации ПТК территории, изучение распространения и особенностей динамики растительности на нарушенных поверхностях, а также взаимодействие различных компонентов ПТК с использованием количественных характеристик растительного покрова, с изменчивостью глубины сезонного протаивания на локальном уровне. Полевой этап включал: описание ландшафтных особенностей, измерение параметров оползней, измерение глубины протаивания на экспериментальных площадках по сетке и в отдельных точках в маршрутах, измерение вегетационных индексов инструментальным путем, описание растительных сообществ на оползневых склонах и экспериментальных площадках. Камеральный этап включал пополнение кадастра криогенных оползней скольжения (КОС), составление карт-схем экспериментальных площадок по различным количественным характеристикам, карт-схем дифференциации ПТК ключевого участка, карт-схем распространенности и вероятности проявления криогенного оползания.

Глава 2. Ландшафты и термоденудация на морском побережье

Степень изученности влияния природных факторов на динамику берегов. Рассмотренные в литературе факторы, определяющие термоденудацию, недостаточно раскрывают влияние биогенного компонента. Отчасти эти вопросы затронуты в работах А.И.Кизякова (2005) и Н.Г. Москаленко (2006). В последнее время все острее встает вопрос дистанционного изучения термоденудационных процессов по пластовым льдам на арктическом побережье в связи с их активизацией под действием изменений климата.

Темпы развития термоденудации по результатам мониторинга. На ключевых участках «Шпиндлер» и «Первая Песчаная» измерения по профилям, заложенным перпендикулярно стенкам ключевых термоцирков, ведутся с 2001 г. Максимальная величина отступания за 6 лет измерений (2001-2007 гг.) составила более 30 м, средняя около 20 м. Для оценки величины отступания определялась площадь фигуры, ограниченной линиями бровки за разные годы, и делилась на длину более «старой» бровки. Средние темпы отступания за весь период 20012007 гт. меньше, чем за период измерений с 5 августа 2005 по 28 июля 2006 г., что связано с наименьшей площадью морского льда и высокими скоростями ветра (волновой активностью) осенью 2005 и весной 2006 гг.

Карта природно-территориальных комплексов (ПТК) района работ составлена на основе классификации космического снимка, проведенной с использованием алгоритма КОБАТА для классификации без обучения,

базирующегося на кластерном анализе. Классификация была успешна на 76%. 19 из 25 изначально выделенных классов совпали с их полевыми описаниями, и только 6 в процессе полевого описания разбились на 2 подкласса. В результате выделен 31 ПТК по следующим признакам: степень дренированности, характер поверхности, характер растительного покрова (степень покрытия и доминирующие экобиоморфы), глубина сезонного протаивания.

Количественная оценка влияния ландшафтов на темпы термоденудации. В результате расчета среднегодовой максимальной скорости отступания (итахср) выделены три группы ПТК по степени устойчивости к отступанию термоденудационной бровки: неустойчивые, со средней устойчивостью и относительно устойчивые (табл.1).

Таблица 1. Устойчивость ПТК к отступанию термоденудационной бровки

Группа (среднее значение 1>тмср, м/год) Индекс ПТК max и ср, м/год Диапазон глубины протаивания, м Ландшафтные факторы

1 2 3 4 5

Неустойчивые (9,2) 19 14,6 >1,0 Кр тр ДВ 3 Мо, Ку, Ра

8 8,9 >1,0 Кр Тр Д 03 Ку, Ра

23 8,8 >1,0 Кр Тр, ПМ д 3 Ра, Мо

12 8,3 <0,6 По Бм ДВ 3 Мо, Ос

26 8,1 0,6-1,0 По Бм ДВ 3 Мо, Ос

6 8,0 0,6-1,0 Го Бм д 03 Ку, Ра

13 7,6 0,6-1,0 По Тр, Ко в 3 Мо, Ос

Со средней устойчивостью (5,5) 10 6,6 0,6-1,0 По Ко в 3 Ос, Мо, Ра

24 6,3 0,6-1,0 По Бм ДВ 3 Мо, Зл

3 5,95 >1,0 Кр Бм Д О

5 5,9 0,6-1,0 Кр тр ДВ 03 Мо

29 5,0 0,6-1,0 По Бм ДВ 3 Мо, Ос

11 4,8 0,6-1,0 По ПМ Д 3 Мо, Ку, Зл

9 4,1 <0,6 Го Ко в 3 Мо

Относительно устойчивые (2,4) 18 2,9 >1,0 По Тр, ПМ д 3 Ос, Ку, Мо

4 2,7 >1,0 Го Бм д 03 Зл

7 2,6 >1,0 Кр Бм д 3 Зл, Ра

15 2,4 >1,0 Го Бм д 0

20 2,3 <0,6 Го Тр в 3 Ос, Мо

16 1,7 >1,0 По Бм д 03 Зл

Примечание. 1 Уклон поверхности: Кр - крутые склоны, По - пологие склоны. Го -горизонтальные поверхности. 2 Характер поверхности: Бм - без выраженного микрорельефа, Тр - с трещинами (бугорковатая и/или полигональная), Ко - кочковатая, ПМ - с пятнами-медальонами. 3 Степень дренированности: Д - дренированные, ДВ - слабодренированные, В - влажные. 4 Степень покрытия растительностью: О - оголенная поверхность, 03 - частично лишенная растительности, 3 - заросшая. 5 Доминирующие экобиоморфы: Ку - кустарники и кустарнички, Ра - разнотравье, Зл - злаки, Мо - мхи, Ос - осоки.

Величина v>ma*cp, вычисленная по формуле (1), варьирует от 1,7 до 14,6 м/год за период измерения отступания.

„.max /„max „max , „„max \i„ /1\

U cp(f) = (.U 2001-2005(0 +и 2005-2006(0 + и 2006-2007(0^/П' I1)

где Г - индекс ПТК согласно таблице 1, п - число лет между первым и последним измерениями положения бровки (п=6). К неустойчивым отнесены ПТК с итахср > 7,0 м/год. Критерием выделения относительно устойчивых ПТК послужила г)шахср < 4,0м/год. Соответственно, ПТК где 4,0 м/год <итахср< 7,0 м/год отнесены к группе со средней устойчивостью. Такие критерии были выбраны в результате анализа отступания бровок ПТК по годам. ПТК с игаахср > 7,0 м/год начинали отступать с большей скоростью при потеплении, и скорость отступания значительно не уменьшалась при последующем похолодании. ПТК с ишахср < 4,0 м/год либо никак не реагировали, либо с запозданием реагировали на изменение климатических условий. В свою очередь, ПТК где 4,0 м/год < итахср < 7,0 м/год при потеплении начинали отступать с большей скоростью, а при последующем похолодании скорость отступания в этих ПТК снижалась до прежних значений.

Средние значения иП1ахср для каждой группы вычислены как сумма среднегодовых максимальных отступаний, характерных для ПТК, отнесенных к данной группе, деленная на число ПТК в группе, по 6-7 ПТК на группу и составляют 9,2 м/год для группы неустойчивых, 5,5 м/год для группы среднеустойчивых и 2,4 м/год для группы относительно устойчивых ПТК. Распространение ПТК с разной устойчивостью показано на карте (рис. 1).

Рис. I Фрагмент карты-схемы устойчивости ПТК ключевого участка «Первая Песчаная». В - Восточный термоцирк; Степень устойчивости ПТК к отступанию: 1 - относительно устойчивые, 2 - среднеустойчивые, 3 - неустойчивые; Линии бровки термоцирка: 4 - 2001 г, 5 - 2007 г; 6 - индексы ПТК, 7 - ПТК, нарушенные термоденудацией; 8 Море.

Для того чтобы вьиснить роль каждого фактора, влияющего на отступание, проведена экспертная балльная оценка степени их влияния. Эта оценка основывается на встречаемости той или иной характеристики у ПТК с известной степенью устойчивости. Для каждого ПТК была составлена покомпонентная характеристика. Каждый фактор оценивался в баллах в диапазоне от 1 до 3. Наибольшее количество баллов соответствует значению фактора, в наибольшей степени способствующему отступанию, и наоборот. Баллы были суммированы и осреднены для каждой из групп устойчивости к отступанию (табл.2).

Таблица 2. Балльная оценка влияния ландшафтных факторов на отступание

Группы ПТК Средние значения баллов

для групп для ландшафтных факторов

1* 2* 3* 4* 5*

Неустойчивые (НУ) 11,0 2,3 1,9 1,7 2,4 2,4

Со средней устойчивостью (СУ) 9,6 2,1 1,7 2,0 2,3 1,9

Относительно устойчивые (ОУ) 7,5 1,7 1,5 1,3 1,8 1,2

Разница между НУ и ОУ 3,5 0,6 0,4 0,4 0,6 1,2

* см. примечание к таблице 1

Выяснилось, что в итоге ПТК со значительной, согласно полевым измерениям, скоростью отступания (неустойчивые) получили самый высокий средний балл по всем факторам, что подтверждает применимость экспертной оценки по предложенной методике.

Глава 3. Ландшафты и термоденудация в глубине суши

Степень изученности. Одной из наиболее значимых, отражающих специфику ландшафтной структуры и динамики территории крайнего севера Западной Сибири, является работа под редакцией Е.С.Мельникова «Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской газоносной провинции» (1983). Структура и динамика ландшафтов также отражены в работе из серии «Инженерно-геологический мониторинг промыслов Ямала» (1996). Прикладное значение имеет работа Е.С.Мельникова с соавторами (1974), в которой рассматриваются дешифровочные признаки ландшафтов. Ландшафтные особенности на локальном уровне (в пределах полигонов геокриологических исследований) затрагиваются в многочисленных работах В.Д.Васильевской, К.А.Ермохиной, М.О.Лейбман, Е.С.Мельникова, М.А.Магомедовой, Н.Г.Москаленко, О.В.Ребристой, Н.Н.Сметанина, И.Д.Стрелецкой, Н.Г.Украинцевой и др. В настоящее время создана методическая база для изучения ландшафтов в криолитозоне в условиях развития ведущих рельефообразующих процессов.

Карта природно-территориальных комплексов ключевого участка. Проведено районирование, разработанное специально для анализа оползневой

опасности. На начальном этапе выделялись геоморфологические уровни, которые обусловливают геологический разрез, амплитуду рельефа и длину склона. Далее выделялись элементы рельефа, в пределах которых вероятно развитие криогенного оползания. Отделены горизонтальные поверхности и днища, на которых формирование криогенных оползней невозможно, и вершины, на которых формирование оползней маловероятно. Анализ современного оползневого процесса показывает, что оползни приурочены к вогнутым склонам. Однако, на вогнутых склонах, пораженных современным оползневым процессом, сход новых оползней менее вероятен, чем на вогнутых склонах с древними оползнями. Для того, чтобы оценить пораженность современными оползнями, были выделены природно-территориальные комплексы (ЛТК) на разных элементах рельефа, и оценена площадь, а также количество современных оползней в пределах этих ПТК. Всего обособилось 19 ПТК. Развитие процесса криогенного оползания потенциально возможно на всех поверхностях морских равнин, за исключением выпуклых вершин, горизонтальных плоских поверхностей и вогнутых днищ, являющихся базисом эрозии. Таким образом, площадь поверхности, которая потенциально может быть подвержена процессу криогенного оползания, составляет не менее 35% всей площади ключевого участка (или 38% площади суши без озер).

Анализ распространения криогенных оползней. Для того, чтобы классифицировать территорию по степени возможного проявления криогенного оползания при разных фоновых условиях поверхности, проведен анализ приуроченности уже существующих наиболее поздних оползней к разным геоморфологическим уровням и ПТК.

Большинство оползней приурочено к поверхностям IV прибрежно-морской равнины. Треть всех оползней приурочена к V морской равнине. Небольшая часть оползней, среди которых встречаются и мелкие, и средние, и крупные, приурочена к III аллювиально-морской равнине. Наибольший разброс значений ширины и длины оползней характерен и для IV прибрежно-морской и V морской равнин. Однако, для самого высокого геоморфологического уровня характерны «гигантские оползни» длиной до 700 м и шириной до 200 м, намного превышающие по своим характеристикам основную массу оползней, при условии, что оползни длиной или шириной более 100 м примерно одинаково распространены в процентном отношении к общему количеству оползней в пределах уровня. Наибольшие уклоны оползневых склонов характерны для поверхностей IV прибрежно-морской равнины в связи с большим распространением мелких оползней на крутых бортах оврагов и долин водотоков, врезанных в этот

уровень. Уменьшение среднего значения уклонов оползневых склонов в пределах V морской равнины связано с тем, что крупные и «гигантские» оползни возможны только на наиболее длинных склонах, отличающихся минимальными уклонами.

Анализ распределения КОС 1989 г. по различным ПТК показал, что наиболее крупные оползни площадью более 0,01 км2 и достигающие 0,08 км2 в основном распространены на древних оползневых склонах, а также на протяженных, преимущественно слабодренированных, пологих склонах. Оползни площадью от 0,002 до 0,01 км2 также приурочены к оползневым и протяженным пологим склонам, и встречаются на склонах пологохолмистых водораздельных поверхностей. Единичные оползни приурочены к ложбинам стока, бортам оврагов и долин водотоков. Оползни площадью менее 0,002 км2 широко распространены на крутых бортах оврагов и долин водотоков и часто приурочены к границам этих ПТК с краевыми частями субгоризонтальных и пологохолмистых поверхностей, в которые и врезаны овраги и долины водотоков. Нередко такие оползни приурочены к краевым частям дренированных субгоризонтальных поверхностей, непосредственно примыкающих к озерным котловинам.

Пораженность современным криогенным оползанием отличается в одних и тех же ПТК, находящихся на разных геоморфологических уровнях. В целом наблюдается увеличение пораженности затронутых современными оползнями ПТК от более низких геоморфологических уровней к более высоким. Наибольшая пораженность современным криогенным оползанием у вогнутых древних оползневых склонов (13), и пологих склонах с кочковатыми кустарниково-осоково-моховыми сообществами (12) на V морской равнине. В этих ПТК площадь, затронутая оползнями, сошедшими в 1989 г., наибольшая (16 и 20% соответственно).

Карта дифференциации ПТК по степени возможного проявления криогенного оползания составлена на основе анализа распределения криогенных оползней скольжения 1989 г. на разных геоморфологических уровнях и ПТК и пораженности ПТК современным оползанием. ПТК были объединены в 4 группы по степени возможного проявления КОС (рис.2). Очень высокая вероятность проявления криогенного оползания сохраняется на вогнутых закустаренных склонах (13) всех геоморфологических уровней. Вероятность схода крупных оползней повышается на пологих, полностью либо частично закустаренных склонах (11, 12) при продвижении от низких геоморфологических уровней к высоким. Вероятность схода мелких оползней на условно горизонтальных поверхностях (1-4) повышается при увеличении их расчлененности овражно-балочной сетью и долинами водотоков, но явно выраженной зависимости от

принадлежности этих поверхностей к тому или иному геоморфологическому уровню не прослеживается.

Рис.2 Фрагмент карты дифференциации ПТК по степени возможного проявления криогенного оползания на ключевом участке «Васькины Дачи». Степень возможного проявления криогенного оползания: 1 - минимальная, 2 - средняя, 3 - высокая, 4 -максимальная; 5 - индекс ПТК (геоморфологический уровень).

Динамика оползневых склонов. В результате криогенного оползания формируется (1) оголенная поверхность скольжения, сниженная относительно исходной поверхности, с измененным субстратом и полным отсутствием растительности; (2) оползневое тело, перемятое с изменяющимся составом растительности, частично деградирующим при увеличении доли видов, имевших ранее подчиненную роль; и (3) фронтальная область, возникающая в результате перекрытия путей движения воды оползневым телом, в связи с чем вверх по течению происходит подтопление с возможным образованием водоема и осоково-пушицевыми лугами, а вниз по течению происходит заболачивание.

На основе полевых наблюдений и анализа скорости зарастания и активности термоэрозии на поверхностях скольжения и телах оползней ключевого участка построена карта градации КОС 1989 г. по степени зарастания и проявления термоэрозии. Анализ этой карты показал, что большинство поверхностей скольжения КОС слабозаросшие (около 83%), только 5,6% относительно заросли к 2008 г. и около 12% являются незаросшими, что связано с расположением этих КОС

на крутых бортах оврагов, долин водотоков и береговых уступах озёр. Большинство КОС (около 95%) подвержено термоэрозии, но только 15% характеризуются сильным проявлением термоэрозии с формированием новых промоин и даже оврагов. Около 41% КОС характеризуется слабым проявлением термоэрозии.

Скорость зарастания поверхностей, подвергшихся криогенному оползанию, зависит от крутизны этой поверхности и степени развития на ней эрозионных процессов.

Глава 4. Ландшафты и глубина сезонного протаивания

Изучение динамики сезонного протаивания. Слой сезонного протаивания - один из наиболее чувствительных компонентов криолитозоны, находящихся под влиянием изменений климата и ландшафта. Для анализа взаимосвязи ландшафтно-климатических условий с глубиной СТС автором построена карта-схема ПТК экспериментальной площадки 100x100 метров. При ее составлении учитывались различия в растительном покрове, увлажнении, составе пород. В ландшафтном отношении в пределах площадки выделяется несколько ПТК, характерных для данной территории, в том числе, поверхности скольжения двух оползней. Одна из них преобразована термоэрозией и занята кустарниково-травяным покровом на границе с вогнутым древним оползневым склоном. Над отвершком промоины преобладает осоковый покров. Поверхность скольжения второго оползня полностью занята пионерными группировками злаков.

Колебания максимальных значений глубины протаивания на выпуклой дренированной поверхности со злаково-кустарничково-лишайниковым покровом за весь период наблюдений с 1993 по 2007 год составили 26 см (25%), а на вогнутом склоне с разнотравно-осоково-кустарниково-моховым покровом - 18 см (19%). По данным М.О.Лейбман (2001), для слабозадернованной выпуклой поверхности с лишайником за период с 1993 по 2000 год амплитуда составила 24 см (22%), для вогнутого задернованного склона без кустарника и с кустарником 18 и 12 см (18 и 13%) соответственно. Амплитуда колебаний максимальных значений для различных ПТК площадки увеличилась при удлинении ряда наблюдений за счет аномально теплых и влажных летних периодов 2005-2007 гг.

Количественные характеристики растительности и их влияние на глубину сезонного протаивания. На экспериментальной площадке наряду с глубиной сезонного протаивания измерены вегетационные индексы и ЬА1 в узлах решетки 10x10 м (в 121 точке). При сопоставлении планового распределения вегетационных индексов и глубины сезонного протаивания выясняется, что средние значения вегетационных индексов, как и следовало ожидать,

обратнопропорциональны значениям глубины протаивания, поскольку чем больше индексы, тем, как правило, больше теплоизолирующее влияние растительности (рис.3). В результате сопоставления параметров растительности (высота/ проективное покрытие) с вегетационными индексами и глубиной протаивания

выяснилось, что обратная зависимость между глубиной протаивания и NDVI связана с действием таких параметров растительности, как мощность и проективное покрытие мха и злаков, высота кустарников, злаков и осок. Проективное покрытие кустарников, осок и лишайников несколько искажает эту зависимость. Наблюдается прямая зависимость между

Рис.3 Зависимость средних значений глубиной протаивания и LAI за счет глубины протаивания и вегетационных действия большей части параметров индексов на экспериментальной расхигельности, а обратная зависимость площадке.

прослеживается только для проективного покрытия кустарников и лишайников. Поскольку при анализе средних значений LAI имеет все-таки обратную зависимость, то это означает, что кустарники и лишайники являются более важными факторами при формировании зависимости между этим индексом и глубиной протаивания.

Так как ПТК, выделенные на мониторинговых площадках являются наиболее типичными для Центрального Ямала, есть возможность экстраполировать измеренную здесь глубину протаивания на более обширную территорию на основе выявленных зависимостей между вегетационными индексами, растительным покровом и глубиной протаивания. Для этого составлена таблица диапазонов значений вегетационных индексов и глубины протаивания для исследованных ПТК. Диапазоны довольно широкие. Их можно сузить, используя закономерности влияния доминантной растительности на глубину протаивания. Так, например диапазон значений NDVI равный 0,2 - 0,8 соответствует глубине протаивания 30 - 70 см при доминировании мха и 70 - 120 см при доминировании кустарников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы процессы термоденудации, криогенного оползания и изменчивость глубины протаивания во взаимосвязи с пространственно-временной дифференциацией ландшафтов. На примере конкретных ключевых участков

изучены динамика, структура и распространение различных ПТК, их пораженность естественными криогенными процессами, динамика сезонноталого слоя. Определена роль отдельных компонентов ландшафта, таких как растительность, микрорельеф, степень дренированности пород сезонноталого слоя, в развитии соответствующих комплексов криогенных процессов и дифференциации глубины сезонного протаивания. Проведен анализ тундровых ландшафтов, сезонноталого слоя и криогенных процессов (а) на морских побережьях и (б) в глубине суши.

В результате исследований термоденудации на морском побережье установлено следующее. Наиболее значимым ландшафтным фактором и одновременно индикатором устойчивости к термоденудации является доминирующая растительная формация. Доминирование злаковой растительности указывает на участки, устойчивые к отступанию берегов, а доминирование кустарниково-моховой растительности является индикатором максимальной неустойчивости ПТК к береговому отступанию. Наиболее весомым из геоморфологических факторов устойчивости к термоденудации является уклон поверхности. Такие элементы поверхности, как бугорки и пятна-медальоны повышают степень неустойчивости ПТК к отступанию, особенно в сочетании с большим уклоном поверхности, так как процессы криогенного растрескивания поверхности и пучения в сезонноталом слое способствуют ослаблению прочности массива пород вблизи термоденудационной бровки.

Метод оценки устойчивости ПТК к термоденудации заключается в присвоении ландшафтным компонентам балльной характеристики в соответствии с их реальной ролью в формировании устойчивости берегов. Максимальную сумму баллов получили неустойчивые, минимальную - относительно устойчивые ПТК. Ландшафтные компоненты, в особенности крутизна склона и доминирующая растительность, даже имеющие средний балл каждый, в сочетании друг с другом могут приводить к максимальным величинам отступания, поэтому ПТК с таким сочетанием отнесены к категории неустойчивых.

Исследование тундровых ландшафтов, сезонноталого слоя и криогенных процессов в глубине суши показало следующее. Нарушения, вызванные термоденудацией, приводят к изменению форм рельефа поверхности, состояния пород и видового состава растительности - основных компонентов ландшафта, и обусловливают, таким образом, развитие особых склоновых ПТК.

На всех геоморфологических уровнях, за исключением II надпойменной террасы и поймы р.Мордыяха, сохраняется очень высокая опасность активизации

криогенного оползания на вогнутых закустаренных склонах. Опасность схода крупных оползней повышается при продвижении от низких геоморфологических уровней к высоким на пологих, полностью либо частично закустаренных склонах. Вероятность схода мелких оползней на условно горизонтальных поверхностях повышается при увеличении их расчлененности овражно-балочной сетью и долинами водотоков независимо от геоморфологического уровня. Поверхности, пораженные современным оползанием, в ближайшем будущем не опасны с точки зрения повторения оползневого процесса, так как в основании «нового» сезонноталого слоя еще не возникли условия для формирования горизонта сильнольдистых пород - основной предпосылки для возникновения криогенных оползней скольжения. Методика оценки опасности проявления криогенных оползней основана на применении количественных методов и экспертных оценок распространенности и размеров современных оползней в пределах разных ПТК.

Исследованные ландшафты характерны для всей территории типичной тундры Центрального Ямала. Поэтому полученные результаты могут быть использованы в зонах перспективного освоения с широким распространением подземных пластовых льдов и кустарниковых тундр (индикаторов продолжающегося со времени позднего голоцена развития опасных склоновых процессов) к северу от р.Юрибей.

Анализ пространственной дифференциации ПТК и их компонентов, а также их влияния на пространственно-временную изменчивость глубины сезонного протаивания на локальном уровне показал следующее. Изменение глубины протаивания во времени зависит от характера растительного покрова в сочетании с увлажнением. Заболоченные поверхности с моховой подушкой медленнее реагируют на повышение или понижение температуры и поэтому амплитуда глубины протаивания невелика. Большие значения глубины протаивания в пределах вогнутых склонов и древних поверхностей скольжения с высокими ивняками объясняются формированием более теплого и пригодного для ивы микроклимата после схода оползней, и значительной мощностью снежного покрова, оказывающего теплоизолирующее воздействие на сезонноталый слой.

Глубина сезонного протаивания обратнопропорциональна значениям нормализованного относительного индекса растительности (NDVI) и индекса листовой поверхности (LAI). Это служит обоснованием возможности картографирования глубины сезонного протаивания на основании данных дистанционного зондирования. Различия в доминирующей растительности при одинаковых значениях NDVI обусловливают пространственную изменчивость

глубины протаивания. Совместная оценка значений NDVI, LAI и доминирующей растительной формации позволяет сузить картируемый диапазон глубин протаивания в пределах ПТК. Изменение доли других растительных формаций может искажать зависимость в сторону уменьшения или увеличения глубины протаивания.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ландшафтные факторы изменения скорости термоденудации на побережье Югорского полуострова // Криосфера Земли, 2008, т. XII, № 4, с. 24-35 (Соавтор: М.О.Лейбман).

2. Вклад термоэрозии и термоденудации в отступание берегов Югорского полуострова // Доклады Российской Академии наук, 2008, т. 423, № 4, с. 543-545 (Соавторы: А.А.Губарьков, М.О.Лейбман, В.П.Мельников).

Основные статьи и тезисы в материалах конференций:

3. Связь глубины сезонного протаивания с ландшафтно-климатическими особенностями Центрального Ямала (на примере стационара «Васькины Дачи») II Мат-лы междунар. конф-ции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения», т. I, Тюмень, 2006, с.110-113.

4. Динамика ландшафтов под влиянием естественных криогенных процессов и техногенной нагрузки (полигон «Васькины Дачи») II Биоразнообразие растительного локрова Крайнего Севера: инвентаризация, мониторинг, охрана. Мат-лы всеросс. конф-ции, Сыктывкар, 2007, с. 191-200 (Соавтор: М.ОЛейбман).

5. Картирование оползневой опасности в криолитозоне на ландшафтно-геоморфологической основе на примере ключевого участка «Васькины Дачи», Центральный Ямал // Мат-лы. ХШ науч. совещания географов Сибири и Дальнего Востока, т. 2, Иркутск, 2007, с. 135-136.

6. Advantages of various land-based methods to study dynamics of the ice-bearing coasts. Reports on Polar and Marine research. (2008), 576: p. 60-63 (Соавторы: M.O.Leibman, G.A.Cherkashev, B.G.Vanshtein).

7. Coastal Processes at the Tabular-Ground-Ice-Bearing Area, Yugorsky Peninsula, Russia II Proc. of the International Conf. on Permafrost, Fairbanks, USA, 2008, Vol. 1, p. 1037-1042. (Соавторы: M.O.Leibman, A.A.Gubarkov, A.I.Kizyakov, B.G.Vanshtein).

8. Relation of active layer depth to vegetation on the Central Yamal Peninsula, Russia // Ext. abstracts of the Int. Conf. on Permafrost, Fairbanks, USA, 2008, p.177-178. (Соавторы: M.O.Leibman, H.E.Epstein, N.G.Moskalenko, D.A.Walker).

9. Analysis of landslide overgrowing rates at Vaskiny Dachi key site, Central Yamal, Russia // Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU2009-763-2, EGU General Assembly, Vienna, 2009.

Подписано в печать 15.04.10. Формат 60x90 1/16. Усл.Печ. Л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ №

Издательство государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства. 625039, г. Тюмень, ул. Киевская, 52

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Хомутов, Артем Валерьевич

Введение

Глава 1. Состояние изученности, выбор ключевых участков и методы исследований

1.1 Состояние изученности

1.2 Характеристика ключевых участков 18 1.3. Методы исследований

Выводы по главе

Глава 2. Ландшафты и термоденудация на побережье Югорского полуострова

2.1 Степень изученности влияния природных факторов на динамику берегов

2.2 Характеристика района работ

2.3 Темпы развития термоденудации на ключевых участках по результатам мониторинга

2.4 Карта природно-территориальных комплексов ключевых участков на базе классифицированного космического снимка

2.5 Количественная оценка влияния ландшафтов на темпы термоденудации

2.5.1 Устойчивость природно-территориальных комплексов к отступанию

2.5.2 Балльная оценка влияния ландшафтных факторов на скорость отступания бровки

Выводы по главе

Глава 3 Ландшафты и термоденудация на Центральном Ямале

3.1. Степень изученности

3.2 Характеристика района работ

3.2.1 Геолого-геоморфологические условия Центрального Ямала

3.2.2 Общая характеристика ключевого участка «Васькины Дачи»

3.3 Карта природно-территориальных комплексов ключевого участка «Васькины Дачи»

3.4 Анализ распространения криогенных оползней 92 3.4.1 Распределение криогенных оползней по геоморфологическим уровням

3.4.2 Распределение криогенных оползней по ПТК

3.5 Прогноз опасности проявления криогенного оползания

3.6 Динамика оползневых склонов 114 Выводы по главе

Глава 4. Ландшафты и глубина сезонного протаивания

4.1 Динамика глубины сезонного протаивания на ключевом участке «Васькины Дачи»

4.2 Количественные параметры растительного покрова и их влияние на глубину сезонного протаивания

4.2.1 Соотношение количественных параметров растительности и глубины протаивания

4.2.2 Карта пространственной дифференциации глубины протаивания 149 Выводы по главе 4 155 Заключение 158 Список литературы 163 Приложения

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Связь естественных криогенных процессов с динамикой тундровых ландшафтов на примере подзоны типичных тундр Карского региона"

Карский регион характеризуется активным проявлением процессов термоденудации, связанных с широким распространением залежеобразующих подземных льдов. При этом недостаточно применяется комплексный подход к изучению роли различных компонентов ландшафта в активизации термоденудации, а также естественных и техногенных нарушений на формирование облика природных комплексов. Оценка взаимодействия природных комплексов и криогенных процессов более продуктивна при использовании новых технических возможностей, позволяющих получать и анализировать мониторинговые данные. Разработка методики совмещения наземных полевых и дистанционных методов исследования, направленная на прогноз вероятности активизации процессов термоденудации, решает важную проблему оценки динамики природных комплексов в типичной тундре.

Естественные криогенные процессы приводят к преобразованию или даже разрушению существующих и к формированию новых ландшафтов. Новые ландшафты находятся в неравновесном состоянии и поэтому динамично развиваются. Это приводит к мозаичности пространственного рисунка ландшафтов и их заметного изменения в короткие сроки.

Изменчивость ландшафтов в пространстве и во времени как факторов и индикаторов развития естественных криогенных процессов является предметом данного исследования.

Теоретической основой исследований служит представление о ландшафте как о целостном образовании, возникшем и развивающемся вследствие теснейших взаимосвязей между слагающими его компонентами (Исаченко, 1991; Мильков, 1990; Николаев, 2000; Козин, Петровский, 2002). С одной стороны рельефообразующие процессы рассматриваются как фактор формирования ландшафта, а с другой стороны компоненты ландшафта — как факторы, определяющие механизм и темпы развития криогенных процессов, а также являющиеся их индикаторами.

Изучение ландшафтных особенностей в связи с процессами термоденудации: и пространственно-временной изменчивостью сезонноталого слоя, занимались такие- ученые как, Е.С.Мельников, Н.Г.Москаленко; М.О.Лейбман, Н.Г.Украинцева, А.П.Тыртиков и другие (Тыртиков, 1969, 1974; Мельников и др., 1974, 2005; Ландшафты, 1983; Украинцева и др. 1992, 2001, 2002, 2005; Лейбман и др., 1997; Москаленко, 2003, 2006; Лейбман, 1997, 2001, 2005; Украинцева, 1997аб, 1998, 2004; Украинцева, Ермохина, 2002). Результаты исследований обобщены в ряде монографий и учебных пособий (Ландшафты, 1983; Ершов, 1990; Вечная мерзлота, 2002; Мониторинг биоты, 1997; Основы геокриологии, 2001; Методы геокриологических исследований, 2004; Антропогенные изменения, 2006; Лейбман, Кизяков, 2007). Развитие информационных технологий в последнее время дало возможность сопоставлять большие объемы пространственных данных и прослеживать изменение во времени ландшафтной структуры и криогенных процессов (Гравис и др., 2002; Дроздов и др., 1998, 1999, 2001; Дроздов, 2002, 2003, 2004; Мельников и др. 2002, 2005; Ривкин, 2005). Взаимодействие компонентов ландшафта и криогенных процессов можно оценивать количественно. Существуют методы расчета моделей развития криогенных процессов в зависимости от количественных показателей компонентов ландшафта (Гравис и др. 1979; Познанин, 1995, 2001, 2005; Познанин, Баранов, 1999; Гречищев и др., 1980, 1983, 1984). Также применяются методы, экспертных оценок (Ривкин, 2005; Лейбман, 2005).

В этой работе в развитие вышеизложенных идей и на, примере конкретных ключевых участков изучались динамика, структура и пространственное распространение различных ландшафтов в их взаимосвязи с естественными криогенными процессами, в частности термоденудацией в широком понимании термина, и с динамикой сезонноталого слоя.

В работе определяется роль отдельных компонентов ландшафта, таких как растительность, микрорельеф, степень дренированности пород сезонноталого слоя в развитии соответствующих комплексов криогенных процессов и изменчивости глубины сезонного протаивания. Отдельно рассматриваются тундровые ландшафты, сезонноталый слой и криогенные процессы (а) на морских побережьях, и (б) в глубине суши.

Таким образом, цель работы - установить связи процессов термоденудации и изменчивости глубины протаивания с пространственно-временной дифференциацией ландшафтов на побережье и в глубине суши для усовершенствования методов оценки устойчивости природных комплексов к активизации этих процессов.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Изучить пространственно-временную дифференциацию ландшафтов на ключевых участках, расположенных в подзоне типичной тундры, но отличающихся местоположением относительно морского побережья, на которых наблюдаются активные рельефообразующие процессы и имеются следы техногенного воздействия.

2. Обобщить данные мониторинга отступания берегов в пределах различных природных комплексов и создать методику оценки устойчивости природных комплексов к термоденудации на морском побережье.

3. Проанализировать распространение криогенных оползней в зависимости от ландшафтных условий и создать методику оценки опасности активизации криогенного оползания на удаленной от моря территории.

4. Изучить пространственную дифференциацию количественных показателей растительности и доминирующих растительных формаций в пределах природных комплексов на локальном уровне и оценить их влияние на пространственную и межгодовую динамику глубины протаивания.

Объекты и методы исследований.

Основу работы составляют материалы, полученные автором в ходе экспедиционных работ в 2005-2008 гг. на Центральном Ямале (ключевой участок «Васькины Дачи» к югу от Бованенковского газоконденсатного месторождения) и на Югорском полуострове (ключевые участки «Первая Песчаная» и «Шпиндлер» в 7 и 40 км к востоку от пос.Амдерма, соответственно). При полевых исследованиях на ключевых участках Югорского полуострова задокументировано около 500 точек с известными координатами, в том числе 230 точек с детальными описаниями и измерениями глубины протаивания, и снято около 500 фотографий, характеризующих выделенные и описанные ландшафты. На Центральном Ямале задокументировано-около 600 точек с известными координатами, в том числе 220 точек с детальными описаниями и измерениями глубины протаивания, и снято около 800 фотографий характерных ландшафтов. Дополнительно, на ключевом участке «Васькины Дачи» велись мониторинговые исследования за глубиной протаивания и растительным покровом на площадке 100x100 м (121 точка) и однолетние измерения глубины протаивания на 3-х площадках 50x50 м. Карты фактического материала для двух районов исследования представлены в приложении. Также использовались материалы, полученные на этих участках в предшествующие годы, и другие опубликованные материалы.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований:

1. Предложен и апробирован новый метод балльной оценки устойчивости ландшафтов к термо денудации на основе определения влияния компонентов ландшафта на скорость отступания бровки морского побережья. В отличие от существующих методов за основу взята измеренная в процессе мониторинга скорость отступания каждого из выходящих к бровке ПТК и проанализированы компоненты ландшафта, определяющие высокую скорость отступания.

2. Предложен и апробирован новый метод оценки оползневой опасности на основе анализа распространения' и количественных характеристик современных оползней, приуроченных к определенным природно-территориальным комплексам. От ранее предложенных отличается тем, что в основе лежит анализ приуроченности детально обследованных и закартированных современных и древних оползней, их распространения и количественных характеристик к определенным ПТК.

3. Установлено, что глубина сезонного протаивания обратнопропорциональна значениям нормализованного относительного индекса растительности (NDVI) и индекса листовой поверхности (LAI), что позволяет картографировать глубину сезонного протаивания на основании данных дистанционного зондирования. Практическое значение работы. Полученные результаты могут быть использованы для анализа опасности проявления криогенных процессов при разработке месторождений в пределах Арктических равнин в тундровой зоне.

Методы оценки активности криогенных процессов и создания различных карт-схем и иные материалы предлагаемой работы применены в рамках совместного международного проекта «Greening of the Arctic» Международного полярного года 2007/2009, а также при составлении карты нарушений вдоль трассы газопровода «Заполярное-Уренгой» и базы данных естественных и естественно-техногенных криогенных процессов для территории Харасавейского месторождения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ежегодных международных конференциях, проводимых Научным Советом по криологии Земли РАН в Тюмени в 2006 и 2008 гг. и в Салехарде в 2007 г.; на всероссийской конференции «Биоразнообразие растительного покрова Крайнего Севера: инвентаризация, мониторинг, охрана» в Сыктывкаре в 2006 г.; на XIII научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока, посвященном 50-летию Института географии им. В.Б.Сочавы СО РАН, в

Иркутске в 2007 г.; на XIX конференции молодых ученых, посвященной памяти чл.-корр. проф. К.О.Кратца в Апатитах в 2008 г.; на международной конференции по мерзлотоведению (N100?) в Фербенксе (Аляска) в 2008 г.; международной конференции, проводимой Европейским географическим союзом (Еви) в Вене (Австрия); конференции по итогам Международного полярного года в Сочи в 2009 г. и др., материалы которых опубликованы, а также изложены в 17 публикациях.

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 183 страницы, 17 таблиц, 42 иллюстрации и 2 приложения. Список литературы включает 182 наименования.

Работа выполнялась под руководством главного научного сотрудника ИКЗ СО РАН, д.г-м.н. М.О.Лейбман, которому автор выражает свою глубокую благодарность за помощь в написании работы, руководство полевыми работами и предоставленные материалы прошлых исследований. Автор признателен к.т.н. А.А.Губарькову (ТюмГНГУ) за ценные советы, консультации и помощь в проведении полевых работ, д.г.н Н.Г.Москаленко (ИКЗ СО РАН) за научные консультации и предоставленные материалы, д.г,-м.н. Е.А. Слагоде, к.г.н. Н.Г. Украинцевой (ИКЗ СО РАН) за ценные советы и замечания.

Автор благодарен за помощь в проведении полевых работ к.г.н. А.И.Кизякову (ИКЗ СО РАН) на Югорском полуострове и О.В.Коростелёвой (МГУ) на Ямале, сотрудникам ФГУП «ВНИИокеангеология» под руководством к.г.-м.н Ю.Г.Фирсова, участвовавшим в проведении тахеометрической съемки на побережье Югорского полуострова.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Хомутов, Артем Валерьевич

Основные выводы работы кратко сформулированы в виде защищаемых положений:

1. Методика балльной оценки устойчивости ландшафтов к термоденудации на основе определения влияния компонентов ландшафта на скорость отступания бровки морского побережья.

2. Методика оценки опасности криогенного оползания с применением количественных методов и экспертных оценок распространенности и размеров современных оползней в пределах разных природно-территориальных комплексов.

3. Вегетационные индексы, обобщающие в себе количественные характеристики растительного покрова, совместно с доминирующей растительностью определяют пространственную изменчивость глубины сезонного протаивания и потому могут быть использованы для её картографирования.

Заключение

Исследованы процессы, термоденудации, криогенного оползания и изменчивость глубины протаивания во взаимосвязи с пространственно-временной дифференциацией ландшафтов. На примере конкретных ключевых участков изучены динамика, структура и распространение различных ПТК, их пораженность естественными криогенными процессами, динамика сезонноталого слоя. Определена роль отдельных компонентов ландшафта, таких как растительность, микрорельеф, степень дренирован но сти пород сезонноталого слоя, в развитии соответствующих комплексов криогенных процессов и дифференциации глубины сезонного протаивания. Проведен анализ тундровых ландшафтов, сезонноталого слоя и криогенных процессов (а) на морских побережьях и (б) в глубине суши. Выбранные ключевые участки являются репрезентативными для условий прибрежной и внутриматериковой криолитозоны с активной термоденудацией по подземным пластовым льдам и развитием крупных и долговременно активных форм рельефа.

Предложены и апробированы методы балльной оценки (а) устойчивости природно-территориальных комплексов к термоденудации на основе определения влияния компонентов ландшафта на скорость отступания бровки морского побережья, и (б) оползневой опасности на основе анализа распространения и количественных характеристик современных оползней; приуроченных к определенным природно-территориальным комплексам.

В результате исследований термоденудации на морском побережье установлено следующее.

• Наиболее значимым ландшафтным фактором и одновременно индикатором устойчивости к термоденудации является доминирующая растительная формация. Доминирование злаковой растительности указывает на участки, устойчивые к отступанию берегов, а доминирование кустарниково-моховой растительности является индикатором максимальной неустойчивости ПТК к береговому отступанию.

• Наиболее весомым из геоморфологических факторов устойчивости к термо денудации является уклон поверхности. Такие элементы поверхности, как бугорки и пятна-медальоны повышают степень неустойчивости ПТК к отступанию, особенно в сочетании с большим уклоном поверхности, так как процессы криогенного растрескивания поверхности и пучения в сезонноталом слое способствуют ослаблению прочности массива пород вблизи термоденудационной бровки.

• Метод оценки устойчивости ПТК к термоденудации заключается в присвоении ландшафтным компонентам балльной характеристики в соответствии с их реальной ролью в формировании устойчивости берегов. Максимальную сумму баллов получили неустойчивые, минимальную -относительно устойчивые ПТК. Ландшафтные компоненты, в особенности крутизна склона и доминирующая растительность, даже имеющие средний балл каждый, в сочетании друг с другом могут приводить к максимальным величинам отступания, поэтому ПТК с таким сочетанием отнесены к категории неустойчивых.

Исследование тундровых ландшафтов, сезонноталого слоя и криогенных процессов в глубине суши показало следующее.

• Нарушения, вызванные термоденудацией, приводят к изменению форм рельефа поверхности, состояния пород и видового состава растительности - ос новных компонентов ландшафта, и обусловливают, таким образом, развитие особых склоновых ПТК. Техногенные нарушения, накладываясь на естественные процессы, усиливают их, что ведет к увеличению времени восстановления стабильности производных растительных сообществ.

• При каждом типе нарушений проявляется особый характер измененной растительности, но, как правило, характерна такая динамика, при которой на начальных стадиях всегда, а на поздних частично наблюдается* доминирование тех видов растительности, которые в неизмененных сообществах играли второстепенную роль.

• На- всех геоморфологических уровнях, за исключением II,надпойменной террасы и поймы р.Мордыяха, сохраняется очень высокая, опасность активизации криогенного оползания на вогнутых закустаренных склонах. Опасность схода крупных оползней повышается при продвижении от низких геоморфологических уровней к высоким на пологих, полностью либо частично закустаренных склонах. Вероятность схода мелких оползней на условно горизонтальных поверхностях повышается при увеличении их расчлененности овражно-балочной сетью и долинами водотоков независимо от геоморфологического уровня. Поверхности, пораженные современным оползанием, в ближайшем будущем не опасны с точки зрения повторения оползневого процесса^ так как в основании* «нового» сезонноталого слоя еще не возникли условия для формирования горизонта сильнольдистых пород - основной предпосылки для возникновения криогенных оползней скольжения.

• Методика оценки опасности проявления криогенных оползней основана на применении количественных методов и экспертных оценок распространенности и размеров современных оползней в пределах разных ПТК.

• Исследованные ландшафты характерны для всей территории типичной тундры Центрального Ямала. Поэтому полученные результаты могут быть использованы в зонах перспективного освоения с широким распространением подземных пластовых льдов и кустарниковых тундр (индикаторов продолжающегося со времени позднего- голоцена развития опасных склоновых процессов) к,северу от р.Юрибей.

Анализ пространственной* дифференциации ПТК и их компонентов; а также их влияния на пространственно-временную изменчивость глубины сезонного протаивания на локальном уровне показал следующее.

Амплитуда колебаний максимальных значений глубины протайвания; для различных ландшафтных комплексов площадки увеличилась при удлинении ряда наблюдений за счет последних аномально теплых лет. Разница максимальных значений глубины протаивания на выпуклой дренированной поверхности со злаково-кустарничково-лишайниковым покровом за весь период наблюдений с 1993 по 2007 год составила 26 см (25%), а на вогнутом склоне с разнотравно-осоково-кустарниково-моховым покровом - 18 см (19%).

Изменение глубины протаивания во времени зависит от характера растительного покрова в сочетании с увлажнением. Заболоченные поверхности с моховой подушкой медленнее реагируют на повышение или понижение температуры и поэтому амплитуда глубины протаивания невелика. Большие значения глубины протаивания в пределах вогнутых склонов и древних поверхностей скольжения с высокими ивняками объясняются формированием более теплого и пригодного для ивы микроклимата после схода оползней, и значительной мощностью снежного покрова, оказывающего теплоизолирующее воздействие на сезонноталый слой.

Растительный покров является наиболее легко определяемым индикатором изменчивости глубины протаивания. При доминировании моховой формации, характерной для заболоченных плоских понижений, низких озерных террас, полигональных торфяников, глубина сезонного протаивания наименьшая, 50-55 см в наиболее теплые годы. Наибольшая глубина протаивания, более 100 см, характерна при доминировании лишайниковой и кустарничковой формаций на дренированных выпуклых вершинах и склонах, краевых частях водоразделов, а также при доминировании кустарниковой формации (ивняки высотой до 2 м) на вогнутых склонах и древних поверхностях скольжения оползней. Глубина сезонного протаивания обратнопропорциональна значениям нормализованного относительного индекса растительности (NDVI) и индекса листовой поверхности (LAI). Это служит обоснованием возможности картографирования глубины сезонного протаивания на основании данных дистанционного зондирования. Различия в доминирующей растительности при одинаковых значениях NDVI обусловливают пространственную изменчивость глубины протаивания. Диапазон значений NDVI от 0,2 до 0,8 соответствует глубине протаивания 30-70 см при доминировании мха и 70-120 см при доминировании кустарников. Совместная оценка значений NDVI, LAI и доминирующей растительной формации позволяет сузить картируемый диапазон глубин протаивания в пределах ПТК. Изменение доли других растительных формаций может искажать эту зависимость в сторону уменьшения или увеличения глубины протаивания.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Хомутов, Артем Валерьевич, Тюмень

1. Абдулкаснмов A.A. Структурно-динамическое исследование ландшафтов и вопросы прогнозирования//Вопросы структуры и динамики ландшафтных комплексов. Воронеж: Изд-во Воронежского Университета, 1977.

2. Александрова В.Д. Геоботаническое районирование Арктики и Антарктики. АН СССР Бот-й ин-т им. В.Л.Комарова. Л., Наука, 1977, 188 с.

3. Ананьева Г.В. Особенности склонов и склоновых процессов на участках развития залежей подземных льдов: Вопросы гидрогеологии, инженерной геологии и геокриологии/Яр. ВСЕГИНГЕО/Деп. в ВИНИТИ N 4336-84, М., 1984а, с. 116-122.

4. Ананьева Г.В. Склоновые процессы как индикаторы типов криогенного строения ММП на участках развития залежей подземных льдов: Изучение и прогноз криогенных физико-геологических процессов. М., ВСЕГИНГЕО, 19846. с. 12-17.

5. Анненская Г.Н., Видина A.A., .Жучкова В.К. и др. Морфологическое изучение географических ландшафтов // Ландшафтоведение. М., МГУ, 1963.

6. Антропогенная трансформация растительного покрова Западной Сибири/Седельников В.П., Намзалов Б.Б., Ершова Э.А. и др. Новосибирск, ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992, 152 с.

7. Антропогенные изменения экосистем Западно-Сибирской газоносной провинции / Отв. ред. Н.Г. Москаленко. ИКЗ СО РАН, 2006, 357 с.

8. Арэ Ф.Э. Термоабразия морских берегов. М., Наука, 1980, 159 с.

9. Барановский Е.А., Григорьев Н.Ф. Солифлюкционные сплывы на п-ове Ямал: Исследование мерзлых толщ и криогенных явлений//Тр. ИМЗ СО АН СССР. Якутск, 1988, с. 43-46.

10. И. Берг Л.С. Ландшафтно-географические зоны СССР. 4.1, М. Л., Сельхозгиз, 1931, 401 с.

11. Болиховский В.Ф., Кюнтцель В.В. Развитие оползней в многолетнемерзлых породах тундры Западной Сибири: Инженерная Геология. М., Наука, 1990, №1, с.65-70.13.14,15.16,17.20