Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Температурный режим грунтов маревых ландшафтов Вилюйского плато

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Температурный режим грунтов маревых ландшафтов Вилюйского плато"

2? СЕ!! Российская академия наук

Сибирское отделение Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи Константинов Павел Яковлевич

УДК 551.345

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ГРУНТОВ МАРЕВЫХ ЛАНДШАФТОВ ВИЛЮЙСКОГО ПЛАТО

04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических паук

Якутск -1993

Работа выполнена и Ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения СО РАН (г.Якутск).

Научные руководители: кандидат географических наук

Н.В.Тумсль

кандидат географических паук И.В.Климовскии

Официальные оппоненты: члсн-коррсспопдспт РАЕН,

доктор географических паук М.К.Гаврнлова

кандидат географических наук Г.Н.Максимов

Ведущая организации - Институт географии СО РАН

Защита состоится О^Лсуз^ __ >1)3 [•. в /Учасов па

заседании специализированного совета по мерзлотоведению Д 003.48.01 при Институте мерзлотоведения СО РАН по адресу: 677018, Якутск-18, Институт мерзлотоведения СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться I! библиотеке Института мерзлотоведения СО РАН.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан." ^ " С^яТ-Ясу^ 199.1 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н. О.И.Алекссева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность юмы. При хозяйственном освоении регионе)» криолитозоиы наиболее сложными и инженерном отношении территориями являются участки с развитием высокольдистых грунтов. Велсдстинс повышенной чувствительности таких участков к внешним воздействиям не только затрудняется строительство и эксплуатация сооружений, но и возникает проблема охраны и рационального использования природной среды, поэтому изучению геокриологических условий территорий с высокольдистыми грунтами должно уделяться особое внимание. При этом п первую очередь необходимы сведения по закономерностям формирования температурного режима грун тов, т.к. особенностью геологической среды криолитозоиы является се повышенная восприимчивость к изменению температурного поля пород.

Территория Вшпоиского плато входит в алмазоносную провинцию Западной Якутии, которая интенсивно осваивается в связи с поисками и разработкой месторождений алмазов, нефти и газа.Наиболее льдистые грунты здесь характерны для маревых прпродио-зерриторнальных комилсксов(ПТК), предс тавляющих собой своеобразный вариант болотного типа ландшафта криолитозоны. В рассма триваемом регионе маревые ПТК распространены почти повсеместно, занимая значительные площади и долинах и па междуречьях. Обойти такие участки, особенно при строительстве протяженных линейных сооружепий(магпстралы1ЫХ трубопроводов,, линий ЛЭП, автомобильных дорог) представляется не всегда возможным. В настоящее время изучение мерзлотных условий маревых ландшафтов Вилюйского плато приобретает особую актуальнос ть в связи с проектированием и строительством трасс магистральных газопроводов для обеспечения энергетических нужд населенных пунктов и горно-добывающей промышленности.

Вопросы температурного режима грунтов маревых ландшафтов рассматриваемого региона освещались в разное время в трудах участников комплексной экспедиции Института мерзлотоведения им. В.А.Обручева и его Северо-Восточного отделе-пия(Е.Г.Григорьсвой, Е.Б.Белопуховой, Е.М.Катасопова, В.Т.Ба-лобасва и др.),в работах сотрудников МГУ Т.Н.Жсстковой(1960), К.А.Кондратьевой и Г.Г.Лаз\1швой(1963), В.А.Замолотчиковой и

В.И.Смирио1Юй(1974), сотрудников Вилюйской мерзлотной станции Н.Ф.Брахииой(1967), В.И.Макар()1ш(1980), В.И.Снесивцева и А.М.Снегирсва(1980), сотрудиикон Института мерзлотоведения СО РАН И.В.Климовского и С.П.Готонцева(1983Д984),Б.А.Олови-на(1984), И.С.Васильсва(1990), и В.Т.Балобас1!а(1991). Во всех работах упомянутых авторов затрагиваются лишь отдельные стороны рассматриваемого вопроса' и поэтому они пс дают целостной картины общих закономерностей формирования температурного режима грунтов маревых комплексов исследуемого района. Недостаточная изученность и актуальность проблемы послужили причиной для проведения специальных исследований по данной теме. Кроме практической направленности и целях проектирования инженерных сооружений, исследования но данной теме несомненно представляют интерес в научно-теоретическом плане и, кроме того, могут быть полезными при разработке мероприятий по охране и рациональному использованию природной среды.

Цель и задачи работы. Цслыо работы является установление количественных закономерностей формирования температурного режима грунтов маревых ПТК в естественных н нарушенных условиях. Исследования включали решение следующих задач:

типизация маревых ПТК Вилюйского плато изучение основных ландшафтно-климатичеекпх факторов, определяющих теплообмен грунтов маревых ПТК с атмосферой

выявление частных и общих закономерностей формирования температурного режима грунтов маревых ПТК

прогноз температурного режима грунтов маревых ПТК в естественных и нарушенных условиях.

Методика исследовании и фактический материал. В основу исследований была положена методика прогноза температурного режима грунтов, разработанная в Институте мерзлотоведения СО РАН коллективом авторов под руководством Г.М.Фельдмана (Пособие..,1988), позволяющая прогнозировать среднегодовую температуру грунта па подошве слоя сезонного промерзапия-протаипаиии^о) и мощность этого слоя(£). В работе использовались материалы многолетних нолевых геокриологических исследований, проведенных под руководством автора или при его непосредственном участии, включающие данные натурных измерений температуры воздуха, высоты, плотности и динамики на-

коплсипя смежного покрова, теилофизнчсских свойств грунтов и напочвенных покровов, натурных определений мощности слоя сезонного нромерзанпя-протапвамня и его динамики, геотермических измерений в скважинах, маршрутных исследований и наблюдений па ключевых участках. Кроме того, широко использовались опубликованные материалы по интересующей проблеме. Расчеты параметров ^ и £ осуществлялись на ЭВМ ЕС-1035 с помощью пакета (комплекса) взаимосвязанных программ, разработанных в лаборатории геокриологического прогноза Института мерзлотоведения СО РАН.

Научная новизна. На основании большого объема фактического материала установлены частные и общие закономерности формирования температурного режима грунтов маревых ПТК Вилюйского плато. Впервые для рассматриваемого региона проведена типизация маревых ПТК, получены новые данные по составу, строению и свойствам грунтов и напочвенных покровов, исследованы особенности приземных инверсии температуры воздуха; установлено, что в определенных условиях теплофизи-ческие свойства снежного покрова сильно зависят от строения поверхности и состава растительного покрова.

Проведенные исследования позволяют выделить следующие положения, составляющие предмет защиты диссертации.

1. Широкое распространение заболоченных ландшафтов на территории исследуемого района обусловлено особенностями рельефа трапнового плато.

2. Влияние инверсии на температурный режим грунтов усиливается в направлении с севера па юг. На участках слаборас-члепеиного плато влияние инверсии па температурный режим грунтов отсутствует. Приземные инверсии температуры воздуха в долинах и па междуречьях глубокорасчлепсипого плато имеют различную интенсивность и продолжительность.

3. В условиях мелкобугристого нанорельефа и густой травя-ио-кустарничковой растительности теплоизоляционные свойства снежного покрова в маревых и лесных ландшафтах могут значительно отклоняться от средних значений.

4. Наибольший диапазон изменения температур характерен для грунтов торфяных разновидностей маревых ПТК.

Практическая значимость работы проявилась уже в процессе выполнения исследований, результаты которых использовались Институтом "Союзгазпроскт" при подготовке рабочей до-

кумсптации магистрального газопровода Мприми-Чсрньппсв-ский-Айхал Удачный.

Материалы выполненных исследований могут служить основой прогноза температурного рех. • ui грунтов маревых ПТК Вилюйского плато в естественных и нарушенных условиях. Они могут быть также полезными для проектировщиков, строи гелей и специалистов, занимающихся проблемами охраны и рационального использования природной среды.

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены в 5 публикациях и доложены на VII и VIII„конференциях научной молодежи ИМЗ СО РАН (Якутск, 1986,1988), па Всесоюзном совещании "Рациональное природопользование в криолитозопе" (Якутск,!990) и на расширенном заседании Научного совета по криологии Зсмли(Мос-ква,1992).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем рукописи составляет '^страниц. Текстовая часть изложена па/'^страницах, иллюстрирована 30 рисунками (в том числе фотографиями) .'и 21 таблицами. Список литературы включает 98 наименовании..

Диссертация выполнена под руководством к.г.п. H.B.Tv-мель и к.г.п. И.В.Клнмовского, которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.

Автор благодарит д.г.н., npixjxíccopa Г.М.Фельдмана за помощь II выборе методической основы диссертации, д.г.н. В.Р.Алексеева, к.г.п. А.Н.Федорова, к.г.п. П.С.Васильсва, к.г.-м.п. Н.И.Шсндера за консультации и ценные советы па разпыч стадиях подготовки работы, к.т.п. А.С.Тетсльбаума за проведение расчетов па ЭВМ. сотрудников лаборатории региональной геокриологии ИМЗ СО РАН С.1.1.Готовцева, Н.В.Сыромятпикова, начальника Вилюйской НИМС д.т.н. А.М.Сиегирева и других сотрудников мерзлотной станции за научно-практическую помощь в процессе проведения нолевых геокриологических исследований, д.б.н. ОЛЛисс и к.б'.н. Н.А.Степанову за определение ботанического состава торфяных отложений и видового состава ,ia-ночвенных покровов, инженера А.П.Голдырсву за проведение гранулометрического анализа грунтов, а также других работников Института мерзлотоведения и МГУ за советьГп помощь по диссертационной работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глаиа 1. Распространение марсиых ландшафтов на территории Вшиойского плато

Краткая характеристика природных условий. Район исследований расположен в центральной части Средне-Сибирского илоскогарья(Вилюй-Мархнпскос междуречье) и охватывает территорию в границах Вилюйского траипового плато. Протяженность плато с севера па юг составляет 500 км(62-67° с.ш.), а с запада на восток около 300 км(109-113° в.д.).

По геоморфологическому районированию исследуемый район относится к Вилюйскому денудационному столово-яруспо-му плато, сформированному па осадочных породах, пронизанных пластовыми и секущими интрузиями траппов. Верхний ярус рельефа составлен траиповыми возвышенностями, которые занимают высотные уровни с абсолютными отметками 500-800 м на севере и 300-500 м па юге плато. Нижний структурный этаж рельефа занимают полого-волнистые водоразделы, сложенные осадочными породами. Им соответствуют абсолютные отметки 350-500 м па севере и 200-350 м - па юге.

Для климата исследуемого региона характерны контиисн-тальпость, суровая зима п умеренно теплое лето. Зимой температура воздуха в понижениях рельефа ниже, чем па остальных участках из-за влияния температурной инверсии. Средние месячные температуры января в глубоких долинах северной части плато достигают -40...-42°, а на водоразделах - -30...-320. Для глубоких долин и водоразделов юга плато средние месячные icMiicpa-туры января соответственно равны -36...-380 и -30...-320. Средине месячные температуры июля па юге плато составляют +16...+ 18° и к северу плато понижаются до +13...+15°. На территории Вилюйского плато за год выпадает 300-500 мм осадков, из которых основная часть приходится на теплый период. В целом для района характерно равенство годового количества осадков и испаряемости. Мощность снежного покрова по всему плато изменяется мало, составляя в среднем на период максимального снегоиакоп-лсния(март-апрсль) 0.50-0.55 м.

Вилюпское плато относится к области сплошного р.ц просг-рансиия мпоголстпсмсрзлых пород(ММП). Фоновые значения

среднегодовых температур ММП па юге плато составляют -1.5...-30, а на севере - -4...-60.

Широкому распространению заболоченных ландшафтов 15 исследуемом районе способствует гсолого-гсоморфологичсскос строение Вилюйского плато, для которого характерно проявление « рельефе траппового магматизма. Преобладание интрузий пластового тина обусловливает наличие обширных плоских возвышенностей и замкнутых дсирсссионпых форм, благоприятных для развития грунтового заболачивания. Распространение заболоченных ландшафтов на междуречьях приурочено к следующим участкам:

1) широким водосборным площадям верховий водотоков;

2) межгрядовым западинам на поверхности грядово-хол-мисгых трапповых плато;

3) плоским поверхностям столовообразпых трапповых возвышенностей;

4) ссдловипообразным понижениям, приуроченным к выходам осадочных и туфогенных пород внутри крупных трапповых массивов;

5) котловинам провального типа в телах трапповых интрузий;

6) участкам древних долин;

7) депрессиям, тсрмокарстового происхождения в местах развития высокольдистых отложений.

По условиям, благоприятным для развития процессов заболачивания, в долинах рек траппового плато можно выделить следующие участки:

1) высокие поймы и низкие надпойменные террасы круп-пых рек;

2) широкие выположенпые днища долин мелких водотоков;

3) нижние части пологих склонов водоразделов и надпойменных террас, сложенных хорошо фильтруемыми породами.

Распространение заболоченных участков в долинах и на междуречьях Вилюйского плато связано в основном с развитием озерно-болотных, аллювиальных и делювиальных четвертичных отложений, представленных суглинками, супесями, заиленными песками и биогенными отложсниями(торфом).

Основные принципы выделения маревых ландшафтов как разновидности болотного типа ландшафта криолитозоны. Термин "марь" ("мари") широко употребляется в Сибири и на Даль-

нем Востоке для обозначения своеобразного болотного типа ландшафта п районах распространения мпоголстнсмерзлых горных пород. Происхождение его народное. В Приморье под марями понимаются вейниковые и кустарничково-сфагиовые болота; в Забайкалье - труднопроходимые местности горелых и влажных лесов; и Сибири - болото, бугристое болото, кочкарник, заросшие угнетенным редколесьем.

Термин "марь"("мари") давно используется в литературе по естественным наукам. В работе А.В.Льпова(1916) используются понятия "бугристые мари", "торфяные мари" для обозначения бугристых и торфяных болот. И.Я.Ермилов(1934) под "могильными марями" понимает синоним ландшафта бугристых болот Восточно-Сибирской и Дальневосточной тайги. Л.В.Шумнло-ва(1962) применяет термин "бугристые мари" для обозначения бугристых торфяников. Широкая трактовка понятия "марь" используется С.Л.Кушсвым(1939), к которым он относит участки со сплошным моховым покровом, осоковые кочкарники, заболоченные леса и заболоченные участки с бугристым микрорельефом. Им же составлена классификация марей Дальнего Востока с выделением 7типов. И.А.Гвоздецкпй и Н.И.Михайлов(1978) при . описании природы Дальнего Востока используют понятие "мари" как синоним сфагновых болот. По М.А.Глазовской(1988), "марями" и Средней и Восточной Сибири называют болота ерннковые. осоково-гшпювые, сфагновые с близким залеганием вечной мерзлоты. С.З.Скрябпи и М.И.Караваев(1971,1991) при описании растительного покрова Якутии применяют термин "марп" для обозначения сложного комплекса заболоченных верховий мелкодо-липпых лугов. А.Н.Федоров(1991) при классификации мерзлотных ландшатов Якутии выделяет особую разновидность интразо-налыгых ПТК - водораздельно-маревые типы ландшафтов, развитые па приводораздельпых слабодрепированпых участках междуречных пространств. Сравнительно редко термин "марь"("мари") используется спсциалистамн-болотовсдами(Про-зоров,1961; Боч,Мазинг,1979). Наиболее широко он применяется в геокриологической литературе (Сумгнн,1937; Кудрявцев, 1939; Кондратьева,Лазукова,1963; Некрасов,Сорокина,1978; Романовский, 1983; Геокриология..,1989).

Основываясь па местных и общих представлениях, мы даем свое определение маревого ландшафта, под которым понимаем интразоиальный тип мерзлотных ландшафтов избыточно увлажненных местоположений, для которых характерно неглубо-

кос сезонное опаивание иочвогруптов, разпитис болотной или лугово-болотной растительности при отсутствии или крайней изреженности древостоя. При выделении маревых ПТК в отдельный тин питразоцальных мерзлотных ландшафтов мы придерживаемся расширенного понимания болотного природного комплекса, по которому наличие биогенных отложений (торфа) той или 1111011 мощности не является обязательным критерием. Поэтому к категории маревых ПТК мы относим как типично болотные образования, например, торфяники, так и мелкодолинпые кустарниковые лапдшафты(српики), которые благодаря специфике природных условий района почти всегда в той или иной мере заболочены. Объединение в единый тип маревого ландшафта торфяных болотных н мелкодолшшых лугово-болотных комплексов вполне обосновано с точки зрения генетического подхода, т.к. они в исследуемом районе часто связаны между собой постепенными переходами. Кроме того, сами торфяные залежи во многих случаях образованы остатками растительного покрова ерниковых фитоцепозов.

Типизация маревых ПТК Вилюйского плато. Процесс заболачивания иочвогрунтов в криолитозопе находится в тесной динамичной связи с процессами формирования ММП. При этом первоначальные условия заболачивания в значительной мере определяют важнейшие характеристики ММП, такие как литоло-гичсский состав, криогенное строение, температурный режим и др. Поэтому генетический подход при изучении геокриологических условий болотных комплексов является наиболее приемлемым. Такой подход использован нами притязании маревых ландшафтов Вилюйского плато.

Все маревые ландшафты исследуемого района по принципу заболачивания делятся на две основные группы(классы): 1) маревые ПТК, формирующиеся в процессе заболачивания водоемов и 2) маревые ПТК, образующиеся в процессе заболачивания суши(рисунок). Класс маревых ПТК, образованных при заболачивании водоемов подразделяется па два типа, соответствующие конечным стадиям зарастания водоема. Гигроморфные торфяные мари представляют стадию зарастания водоема, когда поверхность заболачивающегося участка выходит из зоны открытой воды, но при этом уровень грунтовых вод постоянно находится близко от дневной поверхности. Кссроморфпые торфяные мари соответствуют последнему этапу зарастания водоема, отражающему поднятие болотного массива вследствие роста и отмирания

Марспыс прнродно- территориальные комплексы Вплюйского плато

Маревые ПТК заболачивания водоемов

Марспыс ПТК заболачинапня суши

Торфяные мари гигроморфпой стадии заболачивании водоемов

Гигрофильные кустар-ппчко-во-сфаг-повыс

Гигро-филь-

ш>1с

травя-по-мо-ховые кочкар пиковые мари

мари

Торфяные мари ксероморфпой стадии заболачивания водоемов

Кустар- Кустар-ннчко- ничко-

ио-сфаг-новыс марн

во-

зелепо-мош-пые марн

Кустар-

ничко-

во-лн-

шайни-

ково-

зелепо-

мош-

пые

мари

Торфяные мари заболачивания суходолов

пичко-

во-

сфаг-

повые

мари

Мелкодолшшые ерниковые мари

Кустар- Кустар- Ернико- Ер'ни-

нпчко- пичко- вые копые

во- во-лн- мари с мари с

зелепо- шайни- фигоце- фитоце-

мош- ково- нозамн позами

ные зелепо- из бере- из берез-

марн мош- зы кус- ки то-

н ые тарни- щей

мари ковой

Типизация маревых ландшафтов Вшпопского плато

болотных растспнй-торфообразователсй. Уровень грунтовых код здесь расположен относительно глубоко от поверхности, т.е. 1! основном за пределами деятельного слоя болотной залежи.

При выделении таксономических слит внутри класса маревых ПТК заболачивания суши мы г. ходили из взглядов Д.Л.Арманда(1975) па логические правила составления научных классификаций. Принципиальные отличия механизма заболачивания суши и водоемов позволяют применить другой подход к выделению типов марей внутри класса маревых ПТК заболачивания суши. Выделение здесь типов маревых ПТК осуществлялось нами по степени развития процесса накопления органических болотных отложспий(торфа), которые в значительной степени определяют условия формирования температурного режима грунтов. В качестве критерия выделения типов нами принимается мощность торфяных отложении, при которой влияние подстилающих пород на формирование среднегодовой температуры грунте)!! и мощность слоя сезонного промерзанпя-иротанва-пия перестает сказываться. Как показывают исследования, I! рассматриваемом районе это значение составляет 0.4 м. Поэтому к типу торфяных марей заболачивании суши мы относим участки с мощностью торфяных отложений 0.4 м и более. Второй тип охватывает заболоченные земли, где торфяные отложения отсутствуют или их мощность меньше 0.4 м. Мари с таким почвенпо-грунтовым разрезом встречаются преимущественно в долинах мелких водотоков, на участках развития ернпковых фитоцепозов, что и отразилось в названии данного типа маревых ПТК(срнико-выс мелкодолииные мари).

Место типов маревых ПТК 1! иерархии маревых ландшафтных комплексов соответствует уровню групп ландшафтных фаций. Факторами, определяющими принадлежность маревых ПТК к тому или иному типу, выступают условия увлажнения и литологический состав почвогрунтов. Последней классификационной ступенью предлагаемой типизацпоппой схемы являются виды маревых ПТК, соответствующие уровню ландшафтных фаций, которые выделялись по растительному покрову.

Глава 2. Ландшафтпо-климатнчсскис (|)актор!>1, определяющие температурный режим грунтов маревых ландшафтов

Основными ландшафтно-климатнчеекпми факторами, определяющими температурный режим грунтов маревых ландшафтов Вплюйского трампового плато, являются: 1) температурный режим воздуха; 2) снежный покров; 3) напочвенные покровы; 4) состав, строение и свойства пород слон годовых тсплообо-ротои.

Температурный режим воздуха. На территории исследуемого района изменение значений среднегодовых температур воздуха происходи т не только в направлении с юга на север, но и в вертикальном разрезе приземной атмосферы. Это обусловлено проявлением температурной инверсии, иод которой понимается формирование особой стратификации температуры воздуха, когда с высотой происходит повышение температуры. Кроме общего инверсионного состояния приземной атмосферы, которое обусловлено радиационным выхолаживанием земной поверхности, различают еще местные дол шпиле инверсии, формирующиеся в депрессиях рельефа. Особенность долинных инверсий состоит в том, что радиационное выхолаживание дополняется здесь стенанием и застоем холодного воздуха с окружающих водоразделов. Маревые ландшафты в исследуемом районе встречаются во всем диапазоне высот - от днищ глубоких долин до самых высоких возвышенностей плато, поэтому знание инверсионного распределения температуры воздуха очень важно при изучении температурного режима грунтов маревых ПТК.

В глубоких долинах Вилгайскога плато зимой формируются мощные приземные инверсии температуры воздуха со средними значениями инверсионных градиентов 2.5-5° /100 м и повторяемостью 80-90%. Долина р.Вилюй, благодаря отепляющему влиянию реки, в пределах трампового плато характеризуется менее резко выраженным инверсионным режимом температуры воздуха, по сравнению с глубоко врезанными долинами ее притоков, к которых температура приземного слоя воздуха I! среднем за зиму может быть ниже на 1°. (

Зимние инверсионные градиенты температуры воздуха на междуречьях трампового плато значительно уступают по величине долинным. Инверсионные градиенты здесь не превышают 1.5-3° /100 м. Вследствие особого ветрового режима, для которого

характерны большие значении скоростей ветра (не менее 2.5-4 м/сек) и преобладание истреппой погоды над штилевой, существование приземных инверсий над большей частью междуречий срсдпевысотпого и высокого плато занимает менее половины времени всего зимнего периода. Это приводит к преобладанию здесь в годовом режиме нормальной стратификации температуры воздуха с максимумами среднегодовых температур на высотах 300-500 м в южной и 450-550 м в северной частях Вшпой-ского плато.

Наиболее контрастно различия температурного режима воздуха в глубоких долинах и на междуречьях траппового плато проявляются при ветровом разрушении приземной инверсии над водоразделами и сохранении ее в долинах. При этом разница температур в среднесуточном выражении достигает 10-12°, а для отдельных часов в течение суток - до 20°.

Формирование инверсионной стратификации температуры воздуха вызывает различия сумм отрицательных температур воздуха в глубоких долинах и на междуречьях траппового плато. Годовая сумма отрицательных температур воздуха на между-. речьях составляет в среднем 80% от суммы отрицательных температур воздуха в глубоко врезанных долинах.

Снежный покров. Распределение высоты и плотности снежного покрова па марях Вилюйского плато носит в целом равномерный характер и почти не отличается от фоновых значений этих показателей в лесных ландшафтах (0.50-0.55м и 0.17-0.19 г/см3). Исключение составляют локальные участки в пределах обширных марей высокого плато, где проявляется ветровое перераспределение епегоотложеннй. Здесь наименьшие высоты снега присущи вершинам гряд и бугров пучения (0.3-0.4м), а наибольшие - наветренным участкам марей на границе с лесом (0.7-1м) и мелким термокарстовым просадкам (0.6-0.9м). Средние значения плотности снега в местах ветрового уплотнения составляют 0.20-0.25 г/см3.

Напочвенные покровы. Исследования состава и теплофи-знческих свойств напочвенных покровов на марях траппового плато показали достаточность выделении двух его расчетных вариантов в целях прогноза температурного режима грунтов. Первый представляет напочвенные покровы умеренно увлажненных поверхностей марей, составленный зелеными мхами родов АЫасотпшт, ТотспЛурпит, Ро1у1псИит, 01сгапит со значениями теплопроводности в талом состоянии 0.13-0.16 ВтДм'К). Вто-

рой вариант представляет влажные поверхности марей с развитием сфагновых мхов ( Sphagnum fuscum, S.warnstorffii), теплопроводность которых в талом состоянии составляет 0.23-0.25 Вт/(м-К).

Состав и свойства грунтов слоя головых теплооборотов. Минеральные грунты па марях траппового плато составляют основную масть слоя годовых теплооборотов. На торфяных марях они характерны только для мпоголстисмерзлой части слоя годовых колебаний температуры, а на ерпиковых марях охватывают и слой сезонного промерзания-протаивания. Среди минеральных грунтов ерпиковых марей преобладают пылсватые суглинки аллговиально-дслювиалыюго генезиса. Для них свойственны небольшая плотность грунта »"насыщенность органическими примесями, что обусловливает относительно малую теплопроводность данных отложений (0.60-1.20 Вт/(м • К)). Торфяные грунты характерны для большинства выделяемых видов маревых ПТК. В исследуемом районе развиты торфяные отложения небольшой мощности(0.5-1.5 м). Изучение ботанического состава торфа показало, что здесь преобладают торфяные залежи низинного типа. По влажности в слое сезонного промерзания-протаивания торфяные грунты делятся па две разновидности: 1) умеренно влажные, •с влажностью торфа 2-4 единицы и 2) влажные, с влажностью торфа 6 и более единиц.

Многолстпсмсрзлыс озерно-болотпые н аллювиально-де-лювиальные отложения марей имЬют высокую объемную льди-ctoctI), особенно в самой верхней части разреза, вблизи кровли ММП. Здесь только за счет видимых ледяных включений бна составляет 40-60% при значениях весовой влажности 1.0-1.6 единиц для минеральных и 8-12 единиц и более для' торфяных грунтов. Преобладают липзовидпые, слоистые и переходные между ними варианты криогенных текстур.

Глава 3. Закономерности формирования температурного режима грунтов маревых ландшафтов

* ч

Влияние природных факторов па процессы промерзания-протаивания и температурный режим грунтов маревых ПТК. Глубина сезонного пропитания грунтов маревых ПТК и ход этого процесса во времени (темп протаивания) зависят в основном от вещественного состава грунта, условий обводнения поверхности, а для минеральных грунтов и от механического состава. Наи-

большие глубииы(1.1-1.4 м) нротаивания присущи минеральным грунтам легкого механического состава(нсскам, супесям) ср-н и новых марей, несколько мсныпис(0.8-1.1 м) - минеральным грунтам тяжелого механического состава(суглинкам, глинам) чех же марей, и наименьшие - торфяным грунтам торфяных марей. Среди последних более глубокое протаиванис(0.6-0.8 м) характерно для обводненных маревых ПТК(гигрофплы1ЫХ торфяных марей), а более мел кос (0.4-0.6 м) - для умеренно увлажненных торфяных марей, вследствие лучших условий прогрева грунтов на обводненных поверхностях.

Наиболее поздние сроки окончания сезона нротаивання отмечены в торфяных грунтах южно;'! части Вилюйского плато, которые протаивают дольше минеральных грунтов марей на 1-1.5 месяца. Минеральные грунты промерзают намного быстрее, чем торфяные, что связано главным образом с отепляющим влиянием снежного покрова. В исследуемом районе формируется достаточно мощный снежный покров(0.50-0.55 м), под которым более теплоемкие торфяные грунты остывают гораздо медленнее, чем менее теплоемкие минеральные грунты. Сроки полного промерзания ссзонно-талого слоя 15 южной части плато зависят от вещественного состава грунта. Торфяные грунты промерзают здесь па 1-1.5 месяца позже, чем минеральные грунты ерниковых марей.

Напочвенные покровы па марях Вилюйского плато оказывают охлаждающее влияние ца формирование среднегодовой температуры грунтов. Величина охлаждающего эффекта при этом зависит от мощности покрова и состава грунта. Больший охлаждающий эффект напочвенных покровов наблюдается в минеральных грунтах песчаного и супесчаного состава, меньший - в суглинистых и весьма незначительный - в торфяных.

В пределах гигрофильных торфяных марей развиты прерывистые напочвенные покровы, составленные сочетанием подушек сфагновых мхов и межподушечных нонижсний/нс запятых мхами. Теплоизолирующая способность таких покровов в 1.5-2 раза меньше, по сравнению со сплошными моховыми покровами того же видового состава.

Влияние состава пород на процессы промерзапия-протаи-вания и температурный режим грунтов в пределах ерниковых марей определяется в основном различиями теплофизических свойств грунтов разного механического состава. По мере повышения дисперсности теплопроводность минеральных грунтов уменьшается, а различия теплопроводности в мерзлом и талом

состояниях увеличиваются, поэтому при прочих равных условиях большие глубины протаиваппя н более высокие температуры присущи песчаным грунтам марей. Далее идут супесчаные и уже потом суглинистые грунты. Теплопроводность торфа в талом состоянии намного меньше, чем теплопроводность минеральных грунтов, а температурная сдвижка(разиость среднегодовых температур па поверхности грунта и па подошве слоя сезонного протаиваппя) больше, поэтому торфяные мари оказываются самыми "холодпыми"(до определенного предела влажности торфа). Покровный слой умеренно увлажненного торфа(вссовая влажность 2-4 единицы), даже небольшой мощности, значительно уменьшает глубину нротаивання и понижает среднегодовую температуру грунта. При толщине слоя такого торфа 0.35-0.40 м влияние состава и свойств подстилающих пород па глубину нротаивання п среднегодовую температуру грунта практически не сказывается.

Снежный покров в исследуемом районе оказывает сильное отепляющее влияние па условия формирования теплового режима грунтов маревых ПТК. Высота снега на территории Внлюй-ского плато за исключением отдельных случаев изменяется очень, мало, поэтому величина отепляющего эффекта снежного покрова зависит главным образом от свойств самих грунтов. Как тсилонзолятор снег лучше защищает от теплопотерь влажные грунты, чем сухие, т.к. в первых при промерзании выделяется большое количество тепла фазовых переходов, и, кроме того, период охлаждения влажных грунтов, вследствие более поздних сроков полного промерзании СТС, короче, по сравнению с сухими грунтами. Если за отепляющее влияние снега ( Aten ) принять разность среднегодовых температур грунта на двух одинаковых участках со спетом и без него, то для гигрофильных торфяных марей AtCI, составляет 8.5° на севере и 9.5° на юге плато. На умеренно увлажненных участках марей AtCn на 1-1.5° меньше.

В определенных условиях теплоизоляционная способность снежного покрова может значительно отклоняться от средних значений из-за влияния ряда факторов, обусловливающих особые условия снегонакопления. На наветренных приграничных с лесом участках марей высокого плато мощность снега может превышать фоновую па 25-30%, что приводит к повышению. среднегодовой температуры грунта на 1.5-2.5°. На участках марей, подверженных интенсивному ветровому воздействию, формируется снежный покров с повышенной плотностью снегоотложе-

ний (0.22-0.30 г/см3 ), отепляющая способность которого па 0.5-1° меньше таковой на защищенных участках.

В условиях мслкобугристого(кочкарпикового) нанорельефа и ¡"устой -травяно-кустариичковой растительности, прилегание снега к поверхности почвы(папочвснпого покрова) может быть неплотным с образованием подснежных пустот. При таком строении снежного покрова в некоторых типах лесных ассоциаций( в еловых лесах, на участках развития наклонного древостоя, на гарях) происходит снижение теплозащитных свойств снега, вследствие существования конвективного воздухообмена между сильно охлажденным внешним воздухом и более теплым воздухом подснежных пустот через сквозные полости в снежном покрове, которые существуют под стволами и ветвями деревьев и дол юс-время остаются незаполненными снегом. На таких участках амплитуда температур на поверхности ночвы(напочвспного покрова) в первую половину зимы больше, чем на участках с нормальным строением снежной толщи в 3-5 раз. По сравнению с обычным снежным покровом, снежный покров с пустотами при прочих равных условиях может приводить к понижению среднегодовой температуры грунта на 1°. Своеобразные условия теплообмена отражаются в стратиграфическом строении снежного покрова с пустотами, для которого характерно слабое развитие конструктивного метаморфизма. На безлесных участках, к которым можно отнести и мари, где'связь подснежных пустот и внешнего воздуха затруднена, отепляющий эффект снежного покрова с пустотами будет превышать таковой на участках с нормальным строением снежной толщи, т.к. теплопроводность спал 'намного больше теплопроводности воздуха.

Влияние инверсионной стратификации температуры воздуха па температурный режим грунтов маревых ПТК усиливается в направлении с севера па юг. Разница среднегодовых температур грунтов марей, расположенных на междуречьях и в глубоких долинах, составляет при прочих равных условиях 1-1.5° на севере и 1.5-2.0° на юге плато. Наиболее высокие температуры у

грунтов приходятся на уровни, соответствующие срсднсиысотно-му плато с абсолютными отметками 450-550 м на севере и 300-370 м - па юге исследуемого района, что обусловлено формированием здесь воздушных слоев с максимальными среднегодовыми температурами воздуха. Понижение среднегодовой температуры грунтов с высотой \(а участках высокого плато происходит в результате преобладания здесь в годовом режиме нормальной стг>..-

тификацни температуры воздуха. Данные геотермических измерений и скважинах показывают, что влияние инверсии на температурный режим фунтов почти отсутствует на территориях со сглаженным рельефом, глубина расчленения которого не превышает 50 м.

Пространственная изменчивость глубины сезонного прота-ипания и среднегодовых температур грунтов маревых ПТК. Глубина сезонного иротаивания в пределах маревых ПТК зависит в большей степени от вещественного состава грунта и в меньшей степени - от условий увлажнения и широты мсстности(таблица).

Глубина сезонного иротаивания и среднегодовые температуры грунтов маревых ПТК Внлюйского плато

Северный район Южный район Типы маревых _

ПТК Водораз- Глубокие Водораз- Глубокие

дслы и не- долимы делы и не- долины глубокие глубокие долины долины

Мелкодолинные -3...-4 -5.. .-6 -1.5. ..-3 -3.. .-4

ерниковые мари 0.8 -1.1 0.7 -1 0.9- 1.2 0.8- 1.1

Торфяные мари умеренно влажных местоположений -4...-6 -5.. .-7 -2... .-3 .-5

0.45-0.5 0.4- 0.5 0.55- 0.65 0.5- 0.6

Гигрофильные -2...-3 -3.. .-4 -0.5... .-1.5 .-3

торфяные мари 0.6-0.8 0.6- 0.7 0.7- 0.8 0.7- 0.8

Примечание: в числителе - значения среднегодовых температур (°С); в знаменателе - глубина сезонного протаивания (м).

Торфяным грунтам при любой влажности и широтному местоположению присущи наименьшие глубины сезонного иротаивания. Более сложной зависимостью характеризуется пространст-

ценная изменчивость среднегодовых температур грунтов маревых ПТК. В умеренно влажных местоположениях самыми "холодными" среди всех разновидностей маревых ПТК выступают торфяные мари, что объясняется тенлофпзическими особенностями торфяных грунтов. На обводненных участках торфяные мари(ппрофш1ьныс торфяные мари), наоборот, являются самыми "теплыми" среди всех разновидностей марей, благодаря резкому возрастанию отепляющей способности снежного покрова в условиях заболоченности поверхности. Промежуточное положение по условиям температурного режима фунтов занимают мелкодолинные ерпиковые мари, где в сезоппо-талом слое преобладают грунты минерального происхождения. Среди ПТК этого типа наиболее высокие значения среднегодовых температур присущи участкам с развитием пород легкого механического соста1ш(псс-кам, супесям). Более низкие температуры свойственны ерпико-вым марям с развитием суглинистых отложений, которые по температурным условиям приближаются к умеренно увлажненным торфяным марям.

Из остальных факторов наибольшее влияние на пространственную изменчивость среднегодовых температур грунтов маревых ПТК оказывают широта местности и температурная инверсия. Наиболее низкие температуры грунтов формируются на севере Вилюйского плато и в днищах глубоких долин, где проявляется охлаждающее воздействие инверсионной стратификации температуры воздуха.

Влияние техногенных нарушений на температурный режим грунтов маревых ПТК. Наиболее часто встречающимися видами техногенных нарушений в пределах маревых ПТК являются нарушение естественных напочвенных покровов и подтопление территории в результате изменения естественного дренажа поверхностных и иадмерзлотных фунтовых вод. После удаления напочвенного покрова при сохранении зимой снежного, увеличивается глубина сезонного протаивания и повышается среднегодовая температура фунта. При этом в пределах марей, расположенных на водоразделах н в неглубоких долинах южной части Вилюйского плато, возможно формирование положительной среднегодовой температуры фунта, что подтверждается данными натурных исследований. При подтоплении участков марей поверхностными и надмерзлотными грунтовыми водами первоначальные ерпиковые травяно-моховые, кустариичково-мохо-вые и кустариичково-лишайниково-моховые растительные ассо-

циации под влиянием избыточного увлажнения трансформируются в обводненные травяные и травяно-моховые группировки, иногда в сочетании с мелководными водосмами(бугристо-запа-динные комплексы), в результате чего создаются условия теплообмена, направленные на увеличение глубины сезонного оттаивания и повышение среднегодовой температуры грунта. В дальнейшем, по мере роста моховой растительности и активизации процесса пучения грунтов, происходит возврат температурного поля пород к исходному состоянию.

Основные выводы.

1. Ведущими факторами, определяющими температурный режим грунтов маревых ПТК, выступают широта местности, инверсия температуры воздуха, состав и влажность отложений слоя сезонного промерзапия-протаивапия, снежный и напочвенный покровы.

2. В пределах глубокорасчлспсниого плато рельеф существенно влияет на формирование температурного режима воздуха, поэтому является одной из причин Неоднородности температурного поля пород. В глубоких долинах Вилюйского плато на большую часть холодного периода устанавливается устойчивая инверсионная стратификация температуры воздуха со средними значениями инверсионных градиентов 2.5-5° /100 м и повторяемостью 80-90%. Долина р.Вилюй, благодаря отепляющему влиянию реки, характеризуется менее резко выраженным инверсионным режимом температуры воздуха, по сравнению с глубоко врезанными долинами се притоков, в которых температура приземного слоя воздуха в среднем за зиму может быть ниже на 1°. Вследствие особого ветрового режима, существование ириземных инверсий над междуречьями занимает менее половины времени всего зимнего периода, что приводит к преобладанию здесь нормальной стратификации температуры воздуха с максимумами среднегодовых температур па высотах 300-350 м в южной и 450550 м в северной частях Вилюйского плато. Годовая сумма отрицательных температур воздуха на междуречьях составляет в среднем 80% от суммы отрицательных температур в глубоко врезанных долинах. Влияние инверсии на температурный режим грунтов усиливается в направлении с севера на юг. На участках

слаборасчлененного плато влияние инверсии на температурный режим фунтов отсутствует.

3. Влияние состава пород слоя ссзоннот иромерзаиия-протаивапия на температурный режим грунтов маревых ПТК определяется в основном различиями тснлофизичсских свойств грунтов разного вещественного состава, среди которых выделяются две основные разновидности - торфяные и минеральные грунты. При мощности покровного слоя торфа 0.35-0.40 м и более влияние состава и свойств подстилающих пород на процессы промерзания-протаивания и температурный режим грунтов практически не сказывается.

4. Формирование па территории исследуемого района достаточно мощного снежного нокрова(0.50-0.55 м) является сильным отепляющим фактором и определяет тенденцию повышения среднегодовой температуры грунта по мерс роста влажности отложений сезонно-талого слоя. Теплоизоляционная способность снежного покрова может значительно отклоняться от средних значений из-за влияния ряда факторов, обусловливающих особые условия снегонакопления. На наветренных приграничных "с лесом участках марей высокого плато мощность снега может превышать фоновую на 25-30%, что приводит к повышению среднегодовой температуры фунта па 1.5-2.5°. В условиях мелко-бугристого(кочкарииковога) напорельефа и .густой травяпо-кус-тарничковой растительности прилегание снега к поверхности но-чвы(папочвснного покрова) может быть неплотным, с образованием подснежных пустот. При таком строении снежного покрова в некоторых типах лесных ассоциаций происходит снижение его теплозащитных свойств, вследствие существования конвективного воздухообмена между сильно охлажденным внешним воздухом и более теплым воздухом подснежных пустот через сквозные полости в снежном покрове, которые существуют под стволами и ветвями деревьев и долгое время остаются незаполненными снегом. На безлесных участках, к которым можно отнести и мари, где связь подснежных пустот и внешнего воздуха затруднена, отепляющий эффект снежного покрова с пустотами будет выше, чем на участках с нормальным строением снежного покрова.

5. Напочвенные покровы оказывают охлаждающее влияние па температурный режим грунтов маревых ПТК, которо. сильнсе проявляется в минеральных грунтах и слабее в торфяных. Удаление напочвенного покрова на марях южной части Bi;

людского плато (вне глубоких долин) может привести к формированию положительной среднегодовой температуры грунта.

6. Наибольший диапазон изменении среднегодовых температур грунтов характерен для торфяных разновидностей маревых ПТК. В умеренно влажных местоположениях они являются самыми "холодными" среди всех разновидное гей маревы х ПТК, что объясняется тсплофнзическими свойс твами торфа. На обводненных участках торфяные марн(гнгрофнлы1ыс торфяные мари), наоборот, являются самыми "теплыми" среди.всех разновидностей маревых ПТК, благодаря резкому возрастанию отепляющей способности снежного покрова в условиях заболоченности поверхности. Промежуточное положение но условиям температурного режима грунтов занимают мелкодолинпые ернпконые мари, где в ссзоппо-талом слое преобладают грунты минерального происхождения.

По теме диссертации автором опубликованы следующие, работы:

1. О температуре мпоголстнсмерзлых пород маревых ландшафтов в Западной Якутии // Криогенные процессы и явлении в Сибири.-Якучек: llu-i мерзлотоведения СО АН СССР, 1984.-С.91-95.

2. Связь чувствительности мерзлотных ландшафтов с расчлененностью рельефа // Вопросы геокриологического картирования.-Яку тек: Ип-т мерзлотоведении СО АН СССР.1986.-С.113-121.(Соавторы: 1 |.В.Климовскпй, С'.П.Готовцсв).

3. Некоторые результаты снегомерных исследований в средне таежной зоне Западной Якутии // Исследовании мерзлых толщ п криогенных явлений.-Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР,1988.С.71)-77.

4. Опыт использования ландшафтного метода при оценке мощности сезон но-талого елоя(на примере Вилюйского плато) // География и природные ресурсы,-1989.- N 1.-С.162-166.(Соавто ры: П.С.Васпльсв, А.Н.Федоров).

5. Влияние инверсии температуры воздуха на температурный режим грунтов маревых ландшафтов Западной Якутии // Закономерности развития мерзлотных Ландшафтов Якутин,-Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН.(В печати).