ОЦЕНКА ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВЫСОКОГОРЬЯ БАССЕЙНА АКТРУ ПО ДАННЫМ ТЕРМОМОНИТОРИНГА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛНИЯ 7
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 8
1 ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ГОРНЫХ РАЙОНАХ 9
1.1 Основные понятия и термины 9
1.2 История изучения многолетней мерзлоты 11
1.3 Мониторинг многолетних мёрзлых пород Горного Алтая 12
2 ФИЗИКО-ГЕОГАРФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИ 15
2.1 Геологическое строение и рельеф 15
2.2 Климатические условия 18
2.3 Гидрологические условия 19
2.4 Ледники 19
2.5 Почвенный покров, растительность 23
3 ОЦЕНКА ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЙ УСЛОВИЙ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ 26
3.1 Методы и инструментарий термического мониторинга многолетнемёрзлых
горных пород 26
3.2 Сравнительная характеристика промерзания отложений горноледникового бассейна Актру 28
3.3 Оценка влияния приземной температуры воздуха на изменение температуры
отложений деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру 42
3.4 Оценка влияния снежного покрова на изменение температурного режима
отложений деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру 50
3.5 Оценка влияния инфильтрации летних осадков на изменение температурного
режима отложений деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру 63
3.6 Оценка влияния различных факторов в активизации склоновых экзогенных
геоморфологических процессов в горноледниковой долине Актру 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 86
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛНИЯ 7
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 8
1 ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ГОРНЫХ РАЙОНАХ 9
1.1 Основные понятия и термины 9
1.2 История изучения многолетней мерзлоты 11
1.3 Мониторинг многолетних мёрзлых пород Горного Алтая 12
2 ФИЗИКО-ГЕОГАРФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИ 15
2.1 Геологическое строение и рельеф 15
2.2 Климатические условия 18
2.3 Гидрологические условия 19
2.4 Ледники 19
2.5 Почвенный покров, растительность 23
3 ОЦЕНКА ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЙ УСЛОВИЙ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ 26
3.1 Методы и инструментарий термического мониторинга многолетнемёрзлых
горных пород 26
3.2 Сравнительная характеристика промерзания отложений горноледникового бассейна Актру 28
3.3 Оценка влияния приземной температуры воздуха на изменение температуры
отложений деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру 42
3.4 Оценка влияния снежного покрова на изменение температурного режима
отложений деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру 50
3.5 Оценка влияния инфильтрации летних осадков на изменение температурного
режима отложений деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру 63
3.6 Оценка влияния различных факторов в активизации склоновых экзогенных
геоморфологических процессов в горноледниковой долине Актру 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 86
Актуальность изучения вечной мерзлоты в горных районах у научного сообщества со всего миры вызывает большой интерес. Это подтверждается многочисленными научными работами по данной тематике [46,47,48,49]. Данный интерес со стороны учёных связан с тем, что вечная мерзлота в высокогорных районах наиболее отзывчива к изменениям современных климатических условий, которые в свою очередь приводят к изменениям границ растительности в высотной поясности, а также к ускорению протекания склоновых геоморфологических процессов. Геокриологические условия являются важным фактором, определяющим инженерные и социально-экономические особенности, наиболее явно прослеживающихся в горных районах.
Объектом исследования является криолитозона верховий горно-ледникового бассейна Актру (Центральный Алтай).
Предметом исследования динамика термического режима деятельного слоя многолетнемёрзлых горных пород верховий горно-ледникового бассейна Актру.
Целью работы является анализ взаимосвязей термического режима деятельного слоя многолетнемёрзлых горных пород горно-ледникового бассейна Актру с климатическими факторами по данным инструментального термического мониторинга.
Задачи:
1. Выполнить сбор и обработку данных термического мониторинга многолетнемёрзлых горных пород в бассейне Актру,
2. Оценить теплоизолирующее влияние снежного покрова на параметры сезонного промерзания деятельного слоя,
3. Оценить влияние инфильтрации летних осадков на изменение температурного режима деятельного слоя в горно-ледниковом бассейне Актру,
4. Рассчитать региональный высотный геотермический градиент деятельного слоя для высокогорий Центрального Алтая в бесснежный и снежный периоды.
5. Выявить вклад сезонного и суточного промерзания деятельного слоя в активизации экзогенных геоморфологических процессов в бассейне Актру.
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на следующих трудах: 1) Учебное пособие «Методы геокриологических исследований», представляющее собой коллективный труд сотрудников кафедры геокриологии геологического факультета МГУ, обобщивший общепринятые и наиболее апробированные методы геокриологических исследований (под редакцией Э.Д. Ершова). 2) Научная статья «Оценка влияния снежного покрова на температуру поверхности почвы по данным наблюдений» за авторством А.Б. Шерстюкова, О.А. Анисимова. В данном труде был предложен метод расчёта эффективного коэффициента теплопроводности снежного покрова по данным метеорологических станций о температуре на его поверхности и температуре почвы. 3) Научное пособие «Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты», авторы: Анатолий Брушков, Стюарт А. Харрис, Чэн Гуодонг. 4) Научная статья «Influence of Rainfall Changes on the Temperature Regime of Permafrost in Central Yakutia», авторы: Александр Жирков, Пётр Пермяков, Джи Вэн, Анатолий Кириллин. 5) Научная статья «Temperature regime of mountain permafrost in the Russian Altai Mountains», авторы: Роберт Сысолятин, Сергей Сериков, Михаил Железняк, Марк Шатц, Яна Тихонравова.
Информационная база исследования - в данной научно-исследовательской работе использовалась база данных, состоящая из метеорологических и геотермических статистических показателей, полученных с двух автоматических метеорологических станций, установленных в пределах горноледникового бассейна Актру на высотах 2442 метра и 2840 метра, за период с 01.06.2021 по 31.08.2022.
Методы исследования:
• метод термического мониторинга грунтов;
• статистический анализ;
• сравнительный анализ;
• имитационное моделирование;
• полевой мониторинг.
Научная новизна:
1) Впервые рассчитан геотермический градиент деятельного слоя на каждые 100 метров высоты рельефа горноледникового бассейна Актру.
2) Впервые рассчитан геотермический градиент на каждые 10 см глубины деятельного слоя моренных отложений горноледникового бассейна Актру.
3) Впервые произведён прогноз развития экзогенных гравитационных процессов (оползни, солифлюкция и др.) для моренных отложений горно-ледникового бассейна Актру.
Защищаемые положения:
1) Региональный геотермический градиент для верховий горно-ледникового бассейна Актру в снежный период составляет -0,002 °С, а в бесснежный -0,01 °С.
2) Теплоизолирующее влияние снежного покрова в горно-ледниковом бассейне Актру выражается в повышении температуры отложений деятельного слоя и сокращении амплитуды колебаний, геоморфологических процессов возрастает при увеличении значений среднесуточной температуры и влагосодержания горных пород.
Практическая значимость заключается в возможном дальнейшем проведении исследований геокриологических условий горных районов Центрального Алтая на основе полученных геотермических градиентов на каждые 100 метров высоты рельефа и 10 см глубины залегания отложений. Основываясь на полученных результатах прогнозирования развития солифлюкции на моренных отложениях горноледникового бассейна Актру, можно проводить оценку безопасности туристических троп, которые проходят через места локализации процессов солифлюкции. Также, приведённые в данной работе методы определения теплоизолирующего влияния снежного покрова, влияния инфильтрации летних осадков на изменение температурного режима деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру, могут быть использованы для проведения лекционных и практических занятий со студентами.
Структура работы диссертации состоит из введения, трёх глав и заключения. Основной текст изложен на 81 странице и включает 16 таблиц, 41 рисунок. Список литературы содержит 50 источников.
Объектом исследования является криолитозона верховий горно-ледникового бассейна Актру (Центральный Алтай).
Предметом исследования динамика термического режима деятельного слоя многолетнемёрзлых горных пород верховий горно-ледникового бассейна Актру.
Целью работы является анализ взаимосвязей термического режима деятельного слоя многолетнемёрзлых горных пород горно-ледникового бассейна Актру с климатическими факторами по данным инструментального термического мониторинга.
Задачи:
1. Выполнить сбор и обработку данных термического мониторинга многолетнемёрзлых горных пород в бассейне Актру,
2. Оценить теплоизолирующее влияние снежного покрова на параметры сезонного промерзания деятельного слоя,
3. Оценить влияние инфильтрации летних осадков на изменение температурного режима деятельного слоя в горно-ледниковом бассейне Актру,
4. Рассчитать региональный высотный геотермический градиент деятельного слоя для высокогорий Центрального Алтая в бесснежный и снежный периоды.
5. Выявить вклад сезонного и суточного промерзания деятельного слоя в активизации экзогенных геоморфологических процессов в бассейне Актру.
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на следующих трудах: 1) Учебное пособие «Методы геокриологических исследований», представляющее собой коллективный труд сотрудников кафедры геокриологии геологического факультета МГУ, обобщивший общепринятые и наиболее апробированные методы геокриологических исследований (под редакцией Э.Д. Ершова). 2) Научная статья «Оценка влияния снежного покрова на температуру поверхности почвы по данным наблюдений» за авторством А.Б. Шерстюкова, О.А. Анисимова. В данном труде был предложен метод расчёта эффективного коэффициента теплопроводности снежного покрова по данным метеорологических станций о температуре на его поверхности и температуре почвы. 3) Научное пособие «Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты», авторы: Анатолий Брушков, Стюарт А. Харрис, Чэн Гуодонг. 4) Научная статья «Influence of Rainfall Changes on the Temperature Regime of Permafrost in Central Yakutia», авторы: Александр Жирков, Пётр Пермяков, Джи Вэн, Анатолий Кириллин. 5) Научная статья «Temperature regime of mountain permafrost in the Russian Altai Mountains», авторы: Роберт Сысолятин, Сергей Сериков, Михаил Железняк, Марк Шатц, Яна Тихонравова.
Информационная база исследования - в данной научно-исследовательской работе использовалась база данных, состоящая из метеорологических и геотермических статистических показателей, полученных с двух автоматических метеорологических станций, установленных в пределах горноледникового бассейна Актру на высотах 2442 метра и 2840 метра, за период с 01.06.2021 по 31.08.2022.
Методы исследования:
• метод термического мониторинга грунтов;
• статистический анализ;
• сравнительный анализ;
• имитационное моделирование;
• полевой мониторинг.
Научная новизна:
1) Впервые рассчитан геотермический градиент деятельного слоя на каждые 100 метров высоты рельефа горноледникового бассейна Актру.
2) Впервые рассчитан геотермический градиент на каждые 10 см глубины деятельного слоя моренных отложений горноледникового бассейна Актру.
3) Впервые произведён прогноз развития экзогенных гравитационных процессов (оползни, солифлюкция и др.) для моренных отложений горно-ледникового бассейна Актру.
Защищаемые положения:
1) Региональный геотермический градиент для верховий горно-ледникового бассейна Актру в снежный период составляет -0,002 °С, а в бесснежный -0,01 °С.
2) Теплоизолирующее влияние снежного покрова в горно-ледниковом бассейне Актру выражается в повышении температуры отложений деятельного слоя и сокращении амплитуды колебаний, геоморфологических процессов возрастает при увеличении значений среднесуточной температуры и влагосодержания горных пород.
Практическая значимость заключается в возможном дальнейшем проведении исследований геокриологических условий горных районов Центрального Алтая на основе полученных геотермических градиентов на каждые 100 метров высоты рельефа и 10 см глубины залегания отложений. Основываясь на полученных результатах прогнозирования развития солифлюкции на моренных отложениях горноледникового бассейна Актру, можно проводить оценку безопасности туристических троп, которые проходят через места локализации процессов солифлюкции. Также, приведённые в данной работе методы определения теплоизолирующего влияния снежного покрова, влияния инфильтрации летних осадков на изменение температурного режима деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру, могут быть использованы для проведения лекционных и практических занятий со студентами.
Структура работы диссертации состоит из введения, трёх глав и заключения. Основной текст изложен на 81 странице и включает 16 таблиц, 41 рисунок. Список литературы содержит 50 источников.
Исследуемая территория располагается в высокогорной части центрального Алтая, для которой характерен нивальный климат с длинной и относительно мягкой зимой, коротким, но прохладным летом, и непродолжительными и неярко выраженными переходными сезонами. Такие климатические условия и определяют геокриологические условия горноледникового бассейна Актру. Главным образом, в данной работе проведена оценка влияния основных метеорологических показателей, таких как температура приземного воздуха, снежный покров и летние жидкие осадки, на температурный режим деятельного слоя отложений горноледникового бассейна в промежутке времени с 01.06.2021 по 31.08.2022. Данная длительность наблюдений за метеорологическими и геотермическими показателями хоть и не продолжительная, но зато затрагивает все основные климатические условия года, что позволило нам провести полноценную оценку влияния всех основных факторов на температурный режим деятельного слоя, а также выявить вклад сезонного и суточного промерзания деятельного слоя в активизации экзогенных геоморфологических процессов.
Одной из выявленных особенностей температурного режима отложений на двух исследуемых станциях Правый Актру и Голубое Озеро является тепловая инерция, наблюдаемая во всех толщах отложений. Это значит, что во время изменения приземных среднемесячных температурных показателей воздуха в сторону ряда отрицательных или положительных значений при переходе от слоя к слою, мы можем наблюдать некоторое «запаздывание» температурной волны. Нами было определено, что для отложений пункта наблюдения Правый Актру (2442 м) запаздывание температур на каждые 10 см глубины в зимний период около 5 дней, в летний период около 4 дней. Для отложений пункта наблюдения Голубое Озеро (2840 м) в зимний период около 6 дней, в летний период около 5 дней.
Влияние снежного покрова на температурный режим отложений деятельного слоя значительно и многообразно, поэтому оно было разобрано крайне подробно. Первым делом были выявлены граничных значений толщины снежного покрова, влияющие на хода кривой среднесуточных температур деятельного слоя: при значении толщины снега более 19,6 см среднесуточное значение температуры деятельного слоя повышается, т.е. происходит отепляющее воздействие; при значении толщины снега менее 15,8 см среднесуточное значение температуры деятельного слоя понижается, т.е. происходит охлаждающее воздействие; при значении толщины снега около 29,9 см кривая хода среднесуточных температур деятельного слоя имеет минимальную амплитуда, т.е. происходит стабилизация температуры пород. Были проведены подробные математические расчёты, чтобы выявить отепляющее влияние снежного покрова на температурный режим деятельного слоя. За исследуемый период получены следующие значения: tg - среднегодовая температура на дневной поверхности на Правому Актру составила -1,92 °C, на Голубом Озере -1.39 °C, tn - среднегодовая температура на поверхности грунта под снегом на Правом Актру составила 5,06 °C, на Голубом Озере 7,06°C. Ад - среднегодовая амплитуда колебаний температуры на поверхности на Правом Актру 7,7 °C, на Голубом Озере 8,46°C, Ап - среднегодовая амплитуда колебаний температуры на поверхности отложений под снегом на Правом Актру составила -3,26°C, на Голубом Озере -4.815°C. Таким образом, был сделан вывод, что даже столько незначительный по толщине снежный покров в условиях горноледникового бассейна Актру оказывает заметное отепляющее влияние на температурный режим деятельного слоя изучаемых участков, а также на уменьшение амплитуды колебаний на поверхности деятельного слоя отложений. Был рассчитан множественный коэффициент корреляции между толщиной снежного покрова и температурой отложений деятельного слоя, и была выделена следующая особенность: как только снежный покров устанавливается на поверхности залегания, его коэффициент влияния на температурный режим резко возрастает и держится в районе максимума, если при этом на каком-то временном промежутке сохраняется толщина снежного покрова, то коэффициент R в такой же пропорциональной прогрессии начинает понижаться, так как температурный режим отложений приходит в стабильность из-за постоянной толщины снежного покрова и влияние на него уже начинает оказывает только приземная температура воздуха.
Влияние инфильтрации летних осадков на температурный режим деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру также высоко, как и влияние снежного покрова. Поэтому данный процесс нами был также тщательно разобран. Было выявлено, что амплитуда колебаний среднесуточных температур отложений деятельного слоя между исследуемыми слоями увеличивается при выпадение даже небольшого количества жидких атмосферных осадков, и наоборот при в дни, когда жидкие осадки не были зафиксированы, амплитуда температур принимает минимальные значения. Проведено описание влияния инфильтрации мокрых осадков на температурный режим отложений на двух исследуемых станциях горноледникового бассейна Актру, и получается что на станции Правый Актру на глубине до 1,15 метров температура отложений за счёт инфильтрации мокрых осадков повышается в среднем за исследуемый период на 0,24°C, а на площадке Голубое Озеро до глубины 1,49 метров температура отложений в среднем повышается на 0,26 °C.
Был рассчитан геотермический градиент деятельного слоя на каждые 100 метров высоты горноледникового бассейна Актру в бесснежный период равен -0,01 °C, а в снежный период -0,002 °C.
Произведён прогноз развития процесса солифлюкции для моренных отложений горноледникового бассейна Актру. На основании получившихся значений, был сделан вывод, что минимальная глубина оттаивания, при которой начинается вязко-пластичное движение отложений для угла 4° ровна 40 см, угла 5° ровна 30 см, угла 10° ровна 20 см, угла 20° ровна 10 см.
Таким образом были подтверждены все защищаемые положения, выполнены все поставленные цели и задачи данной магистерской работы.
Одной из выявленных особенностей температурного режима отложений на двух исследуемых станциях Правый Актру и Голубое Озеро является тепловая инерция, наблюдаемая во всех толщах отложений. Это значит, что во время изменения приземных среднемесячных температурных показателей воздуха в сторону ряда отрицательных или положительных значений при переходе от слоя к слою, мы можем наблюдать некоторое «запаздывание» температурной волны. Нами было определено, что для отложений пункта наблюдения Правый Актру (2442 м) запаздывание температур на каждые 10 см глубины в зимний период около 5 дней, в летний период около 4 дней. Для отложений пункта наблюдения Голубое Озеро (2840 м) в зимний период около 6 дней, в летний период около 5 дней.
Влияние снежного покрова на температурный режим отложений деятельного слоя значительно и многообразно, поэтому оно было разобрано крайне подробно. Первым делом были выявлены граничных значений толщины снежного покрова, влияющие на хода кривой среднесуточных температур деятельного слоя: при значении толщины снега более 19,6 см среднесуточное значение температуры деятельного слоя повышается, т.е. происходит отепляющее воздействие; при значении толщины снега менее 15,8 см среднесуточное значение температуры деятельного слоя понижается, т.е. происходит охлаждающее воздействие; при значении толщины снега около 29,9 см кривая хода среднесуточных температур деятельного слоя имеет минимальную амплитуда, т.е. происходит стабилизация температуры пород. Были проведены подробные математические расчёты, чтобы выявить отепляющее влияние снежного покрова на температурный режим деятельного слоя. За исследуемый период получены следующие значения: tg - среднегодовая температура на дневной поверхности на Правому Актру составила -1,92 °C, на Голубом Озере -1.39 °C, tn - среднегодовая температура на поверхности грунта под снегом на Правом Актру составила 5,06 °C, на Голубом Озере 7,06°C. Ад - среднегодовая амплитуда колебаний температуры на поверхности на Правом Актру 7,7 °C, на Голубом Озере 8,46°C, Ап - среднегодовая амплитуда колебаний температуры на поверхности отложений под снегом на Правом Актру составила -3,26°C, на Голубом Озере -4.815°C. Таким образом, был сделан вывод, что даже столько незначительный по толщине снежный покров в условиях горноледникового бассейна Актру оказывает заметное отепляющее влияние на температурный режим деятельного слоя изучаемых участков, а также на уменьшение амплитуды колебаний на поверхности деятельного слоя отложений. Был рассчитан множественный коэффициент корреляции между толщиной снежного покрова и температурой отложений деятельного слоя, и была выделена следующая особенность: как только снежный покров устанавливается на поверхности залегания, его коэффициент влияния на температурный режим резко возрастает и держится в районе максимума, если при этом на каком-то временном промежутке сохраняется толщина снежного покрова, то коэффициент R в такой же пропорциональной прогрессии начинает понижаться, так как температурный режим отложений приходит в стабильность из-за постоянной толщины снежного покрова и влияние на него уже начинает оказывает только приземная температура воздуха.
Влияние инфильтрации летних осадков на температурный режим деятельного слоя в горноледниковом бассейне Актру также высоко, как и влияние снежного покрова. Поэтому данный процесс нами был также тщательно разобран. Было выявлено, что амплитуда колебаний среднесуточных температур отложений деятельного слоя между исследуемыми слоями увеличивается при выпадение даже небольшого количества жидких атмосферных осадков, и наоборот при в дни, когда жидкие осадки не были зафиксированы, амплитуда температур принимает минимальные значения. Проведено описание влияния инфильтрации мокрых осадков на температурный режим отложений на двух исследуемых станциях горноледникового бассейна Актру, и получается что на станции Правый Актру на глубине до 1,15 метров температура отложений за счёт инфильтрации мокрых осадков повышается в среднем за исследуемый период на 0,24°C, а на площадке Голубое Озеро до глубины 1,49 метров температура отложений в среднем повышается на 0,26 °C.
Был рассчитан геотермический градиент деятельного слоя на каждые 100 метров высоты горноледникового бассейна Актру в бесснежный период равен -0,01 °C, а в снежный период -0,002 °C.
Произведён прогноз развития процесса солифлюкции для моренных отложений горноледникового бассейна Актру. На основании получившихся значений, был сделан вывод, что минимальная глубина оттаивания, при которой начинается вязко-пластичное движение отложений для угла 4° ровна 40 см, угла 5° ровна 30 см, угла 10° ровна 20 см, угла 20° ровна 10 см.
Таким образом были подтверждены все защищаемые положения, выполнены все поставленные цели и задачи данной магистерской работы.