Морфология наледи Булуус, Улахан-Тарын, условия ее залегания и распределение стабильных изотопов кислорода и водорода в нижней части

Васильчук Юрий Кириллович ORCID: 0000-0001-5847-5568 доктор геолого-минералогических наук профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ), географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2009 Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru Другие публикации этого автора     Гинзбург Александр Павлович младший научный сотрудник, Научный центр изучения Арктики; аспирант, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН 629007, Россия, г. Салехард, ул. Республики, 20 Ginzburg Alexander Pavlovich Junior Researcher, Scientific Center for Arctic Studies; Postgraduate student, Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences 629007, Russia, Salekhard, Republic str., 20 alexandrginzburg13154@yandex.ru Другие публикации этого автора     Токарев Игорь Владимирович кандидат геолого-минералогических наук Ведущий специалист, Ресурсный центр «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета 199034, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Университетская, 7 Tokarev Igor' Vladimirovich PhD in Geology and Mineralogy Leading Specialist, Resource Center "X-ray Diffraction Research Methods" of the Science Park of St. Petersburg State University 199034, Russia, Saint Petersburg, Universitetskaya str., 7 tokarevigor@gmail.com Буданцева Надежда Аркадьевна ORCID: 0000-0003-4292-5709 кандидат географических наук Cтарший научный сотрудник, Кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, МГУ имени М.В.Ломоносова 119991, Россия, г. Moscow, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007 Budantseva Nadine Arkad'evna PhD in Geography Senior Researcher, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, office 2007 nadin.budanceva@mail.ru Другие публикации этого автора     Васильчук Алла Константиновна ORCID: 0000-0003-1921-030X доктор географических наук ведущий научный сотрудник, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет, лаборатория геоэкологии Севера 119991, Россия, г. Moscow, ул. Leninsky Gory, 1, оф. Ж10 Vasil'chuk Alla Constantinovna Doctor of Geography Leading Scientific Associate, Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Laboratory of Geoecology of the Northern Territories 119991, Russia, Moscow, Leninsky Gory str., 1, office Z10 alla-vasilch@yandex.ru Другие публикации этого автора     Паламарчук Валентина Анатольевна Младший научный сотрудник, Научный центр изучения Арктики и Институт криосферы Земли СО РАН 629007, Россия, г. Салехард, ул. Республики, 20 Palamarchuk Valentina Anatol'evna Junior Researcher, Scientific Center for Arctic Studies and Institute of the Earth's Cryosphere of the Tyumen Scientific Center SB RAS 629007, Russia, Salekhard, Republic str., 20 VAPalamarchuk@yanao.ru Блудушкина Любовь Бахтияровна младший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, лаборатория геоэкологии Севера 119991, Россия, г. Город, ул. Ленинские Горы, 1, оф. ж10 Bludushkina Lyubov' Bakhtiyarovna Junior Researcher, Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Laboratory of Geoecology of the Northern Territories 119991, Russia, Gorod, Leninskie Gory str., 1, office 10 bludushkina19@mail.ru

Слышкина Елена Сергеевна младший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова; географический факультет; лаборатория геоэкологии Севера 119991, Россия, г. Город, ул. Ленинские Горы, 1, оф. ж10 Slyshkina Elena Sergeevna Junior Researcher, Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Laboratory of Geoecology of the Northern Territories 119991, Russia, Gorod, Leninskie Gory str., 1, office 10 lena.slyshkina@gmail.com

Работа выполнена в рамках проекта Российского научного фонда (грант № 23-17-00082 - полевые исследования). Изотопные измерения выполнены в Ресурсном центре «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета в рамках программы ГЗ №АААА-А19-119091190094-6, при финансовой поддержке правительства Ямало-Ненецкого автономного округа (ГАУ ЯНАО «Научный центр изучения Арктики» (г. Салехард)

Введение

Наледи являются одним из наиболее опасных природных явлений. Отрицательное воздействие наледей определяется неожиданным затоплением территории и последующим замерзанием воды, формированием ледяных преград, обледенением подземных сооружений и коммуникаций (шахт, штолен, туннелей, водопропускных и канализационных колодцев), а также обледенением автомобильных и железных дорог, береговых гидротехнических сооружений и др. Известны случаи, когда взрывы наледных бугров пучения производили в течение нескольких секунд катастрофические нарушения.^[1]. В. Г. Петров^[24] в марте 1928 г. наблюдал на р. Онон в Амурской области взрыв наледного бугра пучения, во время которого была выброшена глыба льда с грунтом длиной до 19 м, шириной 5 м, толщиной 2 м, массой до 200 т. И. И. Пузанов в 1936 г. на р. Джилинде зафиксировал взрыв, после которого глыбы льдов массой до 50 т были унесены потоком воды на несколько километров. В. Ф. Дершгольц в 1971 г. описал взрыв речной наледи на р. Зее, во время которого погиб караван лошадей вместе с сопровождающими его людьми. 28 марта 1927 г. во время взрыва наледного бугра в долине р. Онон общий объем льдогрунтовой массы, выброшенной взрывом, составил 508 м³. Самая большая глыба льда с прослоями песка, гравия и галечника имела толщину 2 м, ширину 6–9 и длину 18 м^[8].

Х.Крайтс с соавторами^[36] исследовали наледи канадской криолитозоны на северо-западе Канады (на территории площадью 618 430 км²) на основе 573 снимков Landsat (1985–2017 гг.) определили с использованием гидрометрических данных вклад зимнего базового стока в общий годовой сток 17 рек в исследуемом регионе. Нанесенные на карту 1402 наледи встречаются преимущественно в предгорьях сильно нарушенных карстовых горных районов в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Зимний базовый сток и его вклад в годовой расход были ниже в водосборах сплошного распространения многолетнемерзлых пород, чем в зоне прерывистого распространения многолетнемерзлых пород, но в целом увеличились за период 1970–2016 гг. Распределение наледей, по-видимому, чувствительно к зимним температурам воздуха и условиям зимнего базового стока, а наледи, расположенные на южной границе сплошного распространения многолетнемерзлых пород, более чувствительны к деградации многолетнемерзлых пород и прогнозируемому увеличению зимнего базового стока.

Наледи в бассейне Цо Морири Восточном Ладакхе в Индии были откартированы Д.Бромбирштойдль с коллегами ^[32] с использованием свободно доступных данных Landsat и Sentinel-2. Всего выявлено 27 наледных полей средней площадью 9 км². Хотя возникновение наледей сильно изменчивы в сезонном и межгодовом масштабе, но наледные тела из года в год образуются в одном и том же месте.

Источником воды для льда наледей могут быть помимо вод реки и грунтовых вод, воды близлежащих ледников. А.МакДональд с соавторами^[42] показали, что значительное изменение изотопного состава в реке питающейся из быстро отступающего выводного ледника Виркисйокудль в Исландии фиксируются дважды в год: в летний период (значения δ¹⁸O= −11,2‰, δ²H= −78‰) и зимой-ранней весной (величина δ¹⁸O= −10,7‰, δ²H = −74,9‰). Такая закономерность наблюдается и индивидуально для обоих участков мониторинга в реке и указывает на то, что зимний сток частично поддерживается местными грунтовыми водами, хранящимися в моренах.

А.Чеснокова с соавторами ^[34] исследовала изотопный состав наледей в верховьях долины реки Дьюк в горах Сент-Элиас, Юкон. Результаты исследований показали, что путем изучения гидрологических объектов, которые остаются активными зимой, можно определить гидрологические источники образование наледей и установить вклад различных источников в изучаемые наледи. Как и ожидалось, наледи, образующиеся рядом с окончанием главного ледника, питаются талой водой ледников. Однако даже в окрестностях ледника, очень заметно участие источников воды, не связанных с ледниками, таких как водных притоков на склонах холмов, питаемых грунтовыми водами, погребенных ледниковых образований, и моренных озер. Ниже главных ледников вклад грунтовых и мелких ледниковых притоков более выражен и становится основным источником образования наледей на альпийско-луговой части водораздела. Некоторые склоновые притоки в пределах альпийского луга, по-видимому, питаются водой надмерзлотного слоя.^[34]

На изображениях полученные с помощью замедленной камеры А.Чеснокова с соавторами ^[34] наблюдали наледи в верховьях долины реки Дьюк в горах Сент-Элиас на Юконе, что ледник способствует формированию наледи. Основываясь на этом выводе, они использовали изотопные соотношения второй наледи и ледника на ко-изотопной диаграмме соотношения δ²H–δ¹⁸O. Из-за криогенного фракционирования образцы наледей и образцы исходного источника могут иметь разные изотопные характеристики и потенциально располагаться дальше друг от друга на ко-изотопной диаграмме соотношения δ²H–δ¹⁸O; эта методология помогла исключить потенциальные ложные результаты. Например, образец из моренного озера нельзя исключить как потенциальный материнский источник Icing PF, поскольку он находится в пределах указанного диапазона, а образец западной морены с ледяным керном располагается дальше от образца наледи, поэтому его вклад невелик.^[34] Изотопный состав наледей в верховьях долины реки Дьюк в горах Сент-Элиас на Юконе^[34] таков: у первой наледи значения δ¹⁸O ≈ −24,2‰, величина δ²H ≈ −184‰; у второй наледи значения δ¹⁸O ≈ −23,6 ‰, величина δ²H ≈ −182 ‰, при этом вода из скважины продемонстрировала значения δ¹⁸O ≈ −22,7 ‰, величина δ²H ≈ −175 ‰, следовательно в составе наледи участвовала вода снега и талая вода ледника.

Береговые гидротехнические сооружения (причалы, эстакады, пирсы и др.) часто разрушаются под воздействием статического давления наледного льда.^[1,2,3]

Интерес к изучению наледей вырос в последние годы,^{[32,34,36,38,40,43,44]} так как наледи служат индикаторами водообменных процессов территории занятой многолетнемёрзлыми породами и могут играть важную роль при оценке состояния криосферы в условиях меняющегося климата.

Авторами изучен изотопный состав наледи Улахан-Тарын, с целью исследования условий ее формирования.

Физико-географические условия района исследования

Географическое положение района исследований

Местом проведения полевых работ был участок, расположенный в районе южной границы Бестяхской террасы на правом берегу р. Лены (рис. 1,а). В рамках территории выделяются два ключевых участка: ручей Улахан-Тарын (61°34’49.86” с.ш., 129°32’7.64” в.д.) и наледь Булуус (61°20’17.47” с.ш., 129°4’22.13” в.д.) (рис. 1,б,в, 2). Участки сосредоточены вдоль автомобильной дороги федерального значения А-360 «Лена», соединяющей г. Сковородино (Невер) Амурской области и г. Якутск.

Рис. 1. Ключевые участки исследования на территории Центральной Якутии: а) примерные границы Бестяхской террасы р. Лены (по^[18]); б) долина ручья Улахан-Тарын; в) наледь Булуус; 1 – границы Бестяхской террасы; 2 – Федеральная автодорога А-360 «Лена»; 3 – ключевые участки исследования

Рельеф

Бестяхская терраса – IV надпойменная терраса р. Лены, она имеет относительные высоты 56–78 м над средним уровнем воды в реке и занимает большую часть запада Лено-Алданского междуречья (рис. 1,а). Терраса сложена преимущественно аллювиальными песчаными отложениями (мощность 60–70 м), с мощными прослоями щебней и галек (мощность 1–3 м).^[18] Считается, что в качестве самостоятельного геоморфологического элемента территории Бестяхская терраса выделилась в позднем плейстоцене – голоцене, значительную роль в её обособлении сыграл комплекс перигляциальных процессов, в особенности гляциоизостатических поднятий.^[28] Генезис террасы спорный.^[25] Современный рельеф поверхности террасы – возвышенно-равнинный, сильно расчленённый глубокими врезами, имеющими термоэрозионное и суффозионное и термосуффозионное происхождение.^[22,25] Деятельность подземных вод во многом определяет формирование здесь характерного термосуффозионного рельефа в виде полузамкнутых цирков, верхние бровки которых возвышаются над днищами ручьёв на 20–30 м, а угол откоса их склонов составляет около 30°.^[12] В настоящий момент зафиксировано затухание термосуффозионных процессов,^[12] которое сопровождается постепенным зарастанием песчаных надпойменных террас рек в бассейне Лены и её крупных притоков. ^[12,23]

Многолетнемёрзлые породы

Многолетнемёрзлые породы в Центральной Якутии имеют сплошное распространение, характеризуются высокой мощностью, средней льдистостью и в целом относительно стабильным состоянием.^[20] Средние температуры многолетнемёрзлых пород на глубине нулевых сезонных колебаний составляют около –4 – –3°С. Песчаные массивы и участки возвышенных надпойменных террас, сложенных песками, при этом характеризуются специфическим тепловым режимом, который отличается весьма высокими температурами – до –0,2°С. Мощность криолитозоны здесь составляет примерно 200 м, в некоторых местах возрастая практически вдвое.^[5,22] Строение толщи ММП на Бестяхской террасе двухслойное, два мёрзлых горизонта разделяются межмерзлотным таликом.^[9] Мощность деятельного слоя на песчаных водоразделах достигает 3,5 м, в низинах, сложенных более тяжёлыми отложениями, где так же присутствуют мощные торфяники, она снижается до 1–1,5 м.^[20]

Климатические характеристики

Территория характеризуется резко-континентальным климатом. Характерны длительная холодная и малоснежная зима, короткое и очень жаркое лето. Среднегодовая температура воздуха в с. Покровск (50 км к югу от г. Якутска) – ближайший к месту исследований крупный населённый пункт, - составляет –9,6°С. Самый тёплый месяц года – июль, в течение которого в среднем за 90 лет метеонаблюдений (1933–2023 гг.) составила 18,4°С, самый холодный – январь, среднемноголетняя температура которого равна –39,8°С. В течение всего срока метеонаблюдений выделяются две основных особенности: среднегодовая температура воздуха варьировала в пределах от –8,0 до –12,0°С в период с 1933 по 1990 гг., а начиная с 1990 г. наблюдался рост среднегодовой температуры воздуха, а также значительное уменьшение её годовых амплитуд.

Среднее количество выпадающих в течение года атмосферных осадков невелико, оно типично для резко-континентального климата и составляет 200–300 мм/год. В начале периода систематических метеонаблюдений в аномальные годы выпадало осадков в год до 600–800 мм и более, однако на протяжении последних практически 70 лет среднее количество осадков, выпадающих на этой территории равно 292 мм/год (рис. 2).

По агроклиматическому районированию Лено-Алданское междуречье относится к наиболее теплообеспеченным районам Якутии, в которых годовые суммы среднесуточных активных температур (10,0°С и выше) превышают 1200°С, а безморозный период года длится более 90 дней. В результате этого исследуемый район – одно из немногих мест на территории Якутии вообще, где возможно ведение пахотного земледелия.^[6]

Рис. 2. Климатические характеристики в с. Покровск в период с 1933 по 2023 гг. (по данным метеостанции Покровск, Якутия^[19] – систематические измерения уровня выпавших атмосферных осадков проводятся только с 1951 г.). 1 – температура воздуха, °С; 2 – уровень атмосферных осадков, мм/год

Гидрологические и гидрохимические характеристики и ледовые явления на реках

Лена – крупнейшая река Якутии, а также всей Восточной Сибири, и одна из самых крупных рек России. Длина её основного русла более 4 600 км. Исток Лены расположен в небольшом болоте на плато Солнцепадь в Восточном Прибайкалье, устье – на побережье Северного Ледовитого океана, где река образовала обширную дельту – также одну из крупнейших среди рек России и мира (площадью около 60 000 км²).^[33] Годовой сток Лены, по разным оценкам, составляет от 489 до 542 км³, что соответствует среднегодовым расходам от 15 500 до 17 175 м³/с.^[26] Повсеместное развитие стабильных ММП в долине р. Лены осложняет её питание подземными водами, однако в дельте Лены в последние годы этот компонент питания в структуре речного стока занимает всё большие и большие доли.^[33]

В зимний период Лена покрывается льдом в направлении с севера на юг, достигается значительная мощность льда (около 5 м и более). Стабильный ледостав характерен в период с середины ноября по вторую половину мая. Весенний ледоход сопровождается частыми мощными заторами льда и сопутствующим затоплением прибрежных территорий.^[11,17]

Между точками впадения в Лену крупных притоков – Олёкмы (2 089 км от устья) и Алдана (1 311 км от устья) крупные притоки отсутствуют, в основном в неё впадают мелкие реки и ручьи. Многочисленные выходы подземных вод в тыловых швах склонов надпойменных террас и разгрузка их в русла ручьёв приводит к образованию многочисленных наледей.^[7] Наледь, ежегодно формирующаяся в долине ручья Булуус – одна из наиболее известных и детально изучавшихся наледей Центральной Якутии^[4,13,21,31] (рис. 3,4). Кроме того, она является популярным у туристов природным явлением. После установления стабильных положительных температур воздуха наледь тает ещё относительно долгое время. Так, в июне-июле площадь поверхности наледи составляет около 0,3–0,4 км², а остаток наледи может сохраняться практически в период до начала августа (рис. 3, а-г). В начале летнего сезона мощность наледи на ручье Булуус достигает 3–5 м, а в середине июля существенно уменьшается – и составляет уже 1–1,5 м.

Наледь Булуус отнесена к одному из семи чудес Якутии. Общая площадь наледи составляет 1105 га. Уникальный источник подземных вод образует здесь наледи чистой пресной воды, которые не тают даже в самые жаркие дни. На льду температура воздуха не поднимается выше +4–6°С. Лед представляется совершенной фантастикой жарким летним днём среди зелёной травы и высоких хвойных деревьев. Летом в леднике образуются многочисленные расщелины и пещеры. Зимой даже в суровые морозы на поверхности видны выходы талой воды.

Бывает, что к осени наледь Булуус тает полностью, а в 2020 г. Булуус полностью растаял совсем рано — в конце июля, в 2022 г. Булуус растаял в конце августа. По наблюдениям Л.А. Гагарина ^[12-14] долина, где находится Булуус, относительно узкая. За зиму здесь формируется наледь с большой толщиной и маленькой площадью. И того количества тепла, которое летом приходится на эту поверхность, недостаточно, чтобы быстро растопить такой объем льда. Если бы Булуус был пошире и потоньше, он бы таял раньше, т.е. как долго здесь будет таять лед, зависит от его толщины и площади. Чем толще и меньше по площади, тем он дольше продержится. И, соответственно, чем лед тоньше и шире, тем он быстрее будет таять.

А какой толщины и площади будет эта наледь, зависит от трех факторов — высоты снежного покрова, температуры зимой и количества осадков, выпавших предыдущим летом-осенью. Если снега мало и зима холодная, вода из природного источника быстро замерзает, не успев растечься по поверхности. А если снега много и зима относительно теплая, вода долго перемещается вниз по руслу, перед тем как замерзнуть. Площадь льда увеличивается, но при этом его толщина совсем небольшая. При этом наледь тает быстрее.

Рис. 3. Границы наледи Булуус на разновременных космических снимках: а) в конце мая 2022 г; б) в середине июня 2022 г; в) в начале июля 2022 г; г) в начале августа 2022 г; 1 – границы площади наледи

Рис. 4. Внешний вид долины ручья Булуус, поверхность наледи и окружающий среднетаёжный ландшафт в начале июля 2023 г. (фото А.П. Гинзбурга)

Почвенный покров территории

Район работ расположен в среднетаёжной ландшафтной подзоне, поэтому доминирующим типом почв на Лено-Алданском междуречье считаются мерзлотно-таёжные палевые, в т.ч. осолоделые в комплексах с аласных почв.^[6,30] Непосредственно на западной части Бестяхской террасы на карте из этого атласа выделяется ареал мерзлотных подзолистых почв и боровых песков. Согласно А.П. Чевычелову^[29] территория Центральной Якутии характеризуется сложным почвенным покровом, в который включено 9 зональных, 2 азональных и 7 интразональных типов почв (табл. 1). Такое разнообразие почв обеспечено большому количеству разнообразных почвообразовательных макропроцессов, которые также протекают на фоне криогенеза различной степени, что характерно в целом для Якутии как на талых, так и на многолетнемёрзлых подстилающих породах.^[35]

Таблица 1.

Другие сайты издательства: Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.

Перепечатка материалов допускается только в некоммерческих целях со ссылкой на оригинал публикации. Охраняется законами Российской Федерации. Любые нарушения закона преследуются в судебном порядке. © ООО "НБ-Медиа"