КРИОСФЕРА ЗЕМЛИ

На примере Алтае-Саянской горной страны по результатам многолетних геокриологических исследований прослежена роль рельефа в формировании пространственных неоднородностей мерзлотной обстановки. Показано, что условия тепло- и влагообмена горных пород с внешней средой в пределах Алтае-Саянской горной страны изменяются в соответствии с закономерностью изменения высотной поясности, т. е. последовательного чередования высотных поясов сезонномерзлых пород и многолетнемерзлых горных пород островного, прерывистого и сплошного распространения.

Изложены результаты изучения наиболее дискуссионных теоретических и региональных проблем геокриологии, которыми автор занимался на протяжении своей научной деятельности с 1954 г. В развитие теоретических основ геокриологии впервые составлена летопись изменений геокриологических условий для последних 3.1 млн лет. Проблема криогенного метаморфизма пород и подземных вод в недрах структур впервые рассмотрена с позиции теплового взаимодействия природных вод и толщ многолетнемерзлых пород. Региональные исследования автора в Южной Якутии позволили объяснить формирование толщи мерзлых пород с разной температурой (от +2 °С на междуречьях до -4 °С в днищах долин), значительной прерывистости (в среднем до 50 %) и небольшой мощности (от 0 до 150 м), а также обилие крупных источников подземных вод с дебитом до 2-10 м3/с. Причинами существования этих особенностей являются инверсия температуры воздуха и инфильтрация дождевых вод на фоне активных тектонических движений. Доказана синкриогенная природа голоценовых торфяников на севере Западной Сибири и выявлены причины формирования мощных (до 7 м) торфяников в арктических районах. Доказано, что в раннем голоцене существенного (на 400-500 м) продвижения границы леса на территорию современной тундры не было, так как березовые рощи с высоким бонитетом деревьев произрастали только в бортовых частях озерных котловин.

30 июня 2019 г. на 85-м году жизни после тяжелой, продолжительной болезни скончалась Людмила Семеновна Гарагуля – видный ученый, профессор кафедры геокриологии геологического факультета МГУ, доктор геолого-минералогических наук, лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники, заслуженный деятель науки РФ.

Представлены результаты электроразведочных исследований строения многолетнемерзлой толщи в районе стационара Парисенто на полуострове Гыданский. По данным электромагнитных зондирований предполагаемая мощность многолетнемерзлой толщи составляет 210-300 м. Электротомография разреза показала, что толща пород, включающая пластовые льды, характеризуется удельным электрическим сопротивлением, превышающим миллион ом-метров. Это ограничивает чувствительность метода ниже глубин 50-75 м. Показано, что закрепление глубокозалегающих проводящих слоев, выделенных по данным электромагнитных зондирований, слабо влияет на ошибку инверсии данных электротомографии. Однако введение слоев с закрепленным электросопротивлением на глубине привело к улучшению модели для геологической интерпретации. Установлено, что пластовые льды между озерами Круглое и Парисенто не имеют сплошного распространения, как представлялось ранее по данным бурения. Выделена линейная область пониженного электросопротивления пород, которая, вероятно, связана с палеоруслом, соединяющим озера в прошлом. Численным моделированием тепловых полей установлены несквозной талик под оз. Круглое глубиной 140 м и сквозной талик под оз. Парисенто. Рассмотрено влияние трехмерных проводящих неоднородностей в виде подозерного талика и озера на распределение удельного электрического сопротивления в дву- и трехмерных геоэлектрических моделях.

Приведено сравнение мощностей установок типа “ГЕТ”, работающих на хладагентах - углекислоте и аммиаке. Показано, что мощность установки с углекислотой всегда выше мощности установки с аммиаком.

Для оценки изменения газопроницаемости мерзлых песчаных грунтов в условиях гидратообразования при отрицательной температуре проведено специальное экспериментальное моделирование. Эксперименты выполнены на оригинальной установке, позволяющей определить газопроницаемость дисперсных пород в условиях замораживания и гидратонасыщения. В ходе опытов получены данные по изменению газопроницаемости мерзлых песчаных грунтов, насыщенных метаном или диоксидом углерода, в условиях гидратообразования при температуре -5 °С. Установлено, что при гидратообразовании в мерзлых песчаных образцах происходит снижение газопроницаемости, величина которой зависит от начального льдосодержания. Получена зависимость снижения газопроницаемости от степени перехода порового льда в гидрат. При этом тип газа-гидратообразователя влияет на интенсивность снижения газопроницаемости мерзлых песков во времени.

Рассмотрены динамика площади морских льдов в Северном полушарии и изменение инсоляции на разных высотных уровнях в полярных районах как возможные факторы изменения общего содержания озона в атмосфере. Установлено, что годовой ход общего содержания озона тесно связан с годовым ходом и многолетними изменениями площади морских льдов в Северном полушарии. На основе регрессионной модели выполнен оценочный прогноз общего содержания озона до 2050 г. Показано, что в этой модельной концепции следует учитывать криосферный фактор изменения общего содержания озона в атмосфере (площади морских льдов в Северном полушарии и инсоляции на разных высотных уровнях в полярных районах).

Приведены результаты многолетнего геокриологического мониторинга на восьми стационарах в западном секторе российской Арктики. Потепление климата составило около 2.8 °С (1970-2018 гг.). Получены данные о динамике среднегодовой температуры в сезонноталом слое и толще многолетнемерзлых пород доминантных ландшафтов в различных биоклиматических зонах (типичная тундра, южная тундра, лесотундра, северная тайга). Предложено выделять три стадии устойчивости мерзлоты по отношению к потеплению климата: устойчивая мерзлота, неустойчивая мерзлота и мерзлота в стадии активной деградации. Показано, что деградация мерзлоты вызвала активное развитие растительного покрова и смещение границ биоклиматических зон к северу на 30-40 км (1975-2018 гг.).

Рассмотрены особенности строения и состава поздненеоплейстоценовых повторно-жильных льдов в обнажении ледового комплекса на пологом склоне хребта Кулар в западной части Яно-Индигирской низменности. Установлен возраст ледяных жил, которые формировались 47-42 и 37-32 тысяч лет назад. В те чение этого времени дважды фиксируются относительно высокие температуры вегетационного периода, которые повышались настолько, что были достаточны для произрастания деревьев. Относительно теплый летний сезон способствовал активизации склоновых процессов и накоплению склоновых едомных толщ.

На основе сравнительного дешифрирования космических снимков Sentinel 2A 23 и 25 апреля 2019 г. выявлен факт обвала с горы Башкара (4162 м), расположенной в верховьях долины р. Адыл-Су (бассейн р. Баксан, Центральный Кавказ). Зона зарождения обвала находится на границе России и Грузии, зона аккумуляции - в России. По измерениям на космоснимке и карте определены параметры обвала. Ширина зоны отложений составила более 500 м, дальность выброса обломков - 3160 м (в проекции), площадь поражения 0.9 км2, приблизительный объем отложений 1.2-1.5 млн м3. По свидетельству очевидцев была уточнена дата обвала - 24 апреля 2019 г. По данным обследования и сравнения с материалами предыдущих экспедиций определено место отрыва скального блока на вершине горы Башкара и выявлено обрушение части висячего ледника со снежным покровом на площади около 40 000 м2, что превратило скальный обвал в снежно-ледово-каменную лавину. Основная зона отложения обвальных масс расположена на участке ледника в высотной зоне 2660-2800 м. Космический мониторинг обвальных процессов на Кавказе показал возросшую их активность в XXI в. Выявлены факты обвалов в высокогорной зоне северного и южного склонов Кавказа: в 2012 г. в цирке Белалакайского ледника в долине р. Аманауз, в 2013, 2015 и 2016 гг. в цирке ледника Джаловчат в долине р. Аксаут, в 2017 г. в долине р. Твибери, в 2018 г. в долинах рек Клыч и Ненскра. В будущем подобные обвалы могут произойти на других участках высокогорной зоны и представлять угрозу для населения, рекреационного и хозяйственного освоения горных районов.

Представлены результаты экспериментального изучения влияния газового давления на теплопроводность и теплоемкость мерзлого и талого песчаного грунта, насыщенного различными газами: азотом, метаном, диоксидом углерода, a также смесью газов (50 % CH4 + 50 % CO2). В экспериментах максимальное давление газа в грунтовых средах задавалось ниже давления образования газовых гидратов. Эксперименты проводились на специальной установке - в барокамере, позволяющей измерять теплопроводность и теплоемкость грунта под давлением газа при положительных и отрицательных температурах. Впервые получены экспериментальные данные по влиянию газового давления на теплопроводность и теплоемкость в промерзающей песчаной породе, насыщенной различными газами. В ходе экспериментов выявлено, что теплофизические характеристики газонасыщенного песчаного образца в талом состоянии практически не зависят от состава и давления газа. Установлено, что в мерзлом песчаном образце с повышением давления газа в ряду: N2, CH4, смесь газов CH4 + CO2 и CO2 - теплопроводность снижается, а теплоемкость увеличивается. Наибольшее влияние на изменение теплофизических параметров оказывает диоксид углерода, что связано с достаточно высокой растворимостью данного газа в поровой воде и его влиянием на содержание незамерзшей воды в мерзлых породах.

На основе анализа данных наблюдений за динамикой характеристик деятельного слоя, распределением снежного покрова, речным стоком и процессами испарения на малых водосборах Колымской воднобалансовой станции выделены пять основных стокоформирующих типов ландшафтов, репрезентативных для горных территорий Северо-Востока России: гольцы на водоразделах; горная тундра и заросли кедрового стланика на склонах южной экспозиции; мохово-лишайниковое редколесье на склонах северной экспозиции; лиственничный лес в долинах рек; лиственничный лес в долинах рек в условиях надмерзлотного талика. Для каждого типа ландшафта разработана схематизация почвенно-растительного покрова и оценены параметры распределенной детерминированной гидрологической модели “Гидрограф”. Проведено моделирование элементов водного баланса и гидрографов стока воды для водосбора руч. Контактовый (створ Нижний, площадь 21.3 км2) и трех входящих в него микроводосборов (ручьи Северный, Южный и Морозова), однородных по типам выделенных ландшафтов. Расчет проводился с суточным шагом за период 1951-1997 гг. На основе сравнения рассчитанных величин с данными наблюдений результаты моделирования оценены как удовлетворительные. Новизна исследования состоит в предложенном подходе априорной оценки параметров гидрологической модели без использования методов калибровки. Такой подход перспективен для анализа будущего развития процессов формирования стока и эволюции мерзлых пород в условиях изменений климата.