Связь естественных криогенных процессов с динамикой тундровых ландшафтов на примере подзоны типичных тундр Карского региона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат геолого-минералогических наук Хомутов, Артем Валерьевич

• Хомутов, Артем Валерьевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Хомутов, Артем Валерьевич, 2010 год

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