Все течет, все меняется. Известно, что и природа – среда динамичная, ее трансформация подчинена сложным закономерностям. Еще очень много физических законов динамики геосферы, связанных, в том числе, с формированием береговой зоны морей, не объяснено. На севере, в области вечной мерзлоты, берега развиваются совершенно иначе, чем в других климатических зонах. Темпы преобразования берегов Арктики, особенно в азиатском секторе, – самые быстрые, в сравнении со скоростью развития других известных геолого-геоморфологических процессов. Мы попытаемся осветить лишь небольшую часть этой проблемы, находящуюся в буквальном смысле на поверхности, а именно, что и почему происходит с арктическими берегами Якутии, а также каковы основные последствия их разрушения.
Институт мерзлотоведения СО РАН в последние годы активизировал исследования, связанные с эволюцией вечной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне арктических морей. Поддержка научных фондов и государственных программ позволила проводить небольшие самостоятельные экспедиции на побережье и острова Северной Якутии. Однако крупномасштабные полевые работы с использованием вертолетов и больших кораблей, требующие колоссальных материальных затрат, стали возможны только при сотрудничестве с учеными из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера (Германия). Они начались в 1998 г. и довольно успешно продолжаются по сей день. Одним из основных направлений мерзлотных и геоморфологических работ стало изучение динамики криогенных береговых процессов, а также различные аспекты влияния разрушения берегов на эко- и геосферу. Под геологическими криогенными процессами обычно понимается трансформация горных пород, вызванная фазовыми переходами влаги и ведущая к изменению форм рельефа или объемов и масс грунта.
Преобладающая часть береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского принадлежит Якутии. Ее протяженность, включая острова, составляет около 13 000 км [1]. Берега Якутии весьма разнообразны. Значительная часть их приходится на низменные дельтовые побережья (рис. 1) и высокие скалы (рис. 2). Часть берегов, освоенных людьми, в экологическом отношении, выглядит, мягко говоря, безобразно (рис. 3). Однако льдистые берега, занимающие немногим более трети всего побережья, волнуют нас более всего. Именно они в ходе разрушения поставляют на шельф преобладающую массу континентальных наносов.
Почти на 80% береговой зоны рассматриваемых морей развиты абразионные или термоабразионные, а также термоденудационные процессы. Термоабразия – это разрушение берега под термическим и механическим воздействием воды и атмосферы [2, 3]. При этом в льдистых берегах формируются отвесные уступы (клифы) с волноприбойными нишами в основании (рис. 4). Термоденудация берегов – разрушение мерзлых береговых толщ, преимущественно термическими процессами, которое сопровождается гравитационными склоновыми явлениями (рис. 5).
Максимальная зафиксированная в последние десятилетия скорость развития таких сезонных процессов, как термоабразия и термоденудация берегов в исследуемом регионе, – 20 м/год [4]. При этом средний темп отступания берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского составляет 1,06 м/год [5]. Скорость разрушения морского берега в Арктике зависит от ряда факторов: ветровые и волновые параметры, режим морских льдов, приповерхностный температурный режим, прибрежная батиметрия, конфигурация береговой линии, высота и крутизна берегового уступа, объемная льдистость эродируемых пород и вещественный состав мерзлых толщ, вмещающих повторно-жильные льды. Темпы овражной эрозии и склоновое перемещение влагонасыщенного материала нередко составляют первые десятки метров в год. Столь активное проявление криогенных процессов, развивающихся в льдонасыщенных толщах, часто приводит к катастрофическим последствиям. К ним, в частности, относится деформация и разрушение построенных в береговой зоне жилых, технических и коммуникационных сооружений, а также некоторых сооружений навигационного обеспечения Северного морского пути (рис. 7), потеря применяемых в Арктике на гидрографических объектах радиоактивных источников питания и т.д. В пределах таких берегов нарушение тундрового покрова, даже при разовом проезде гусеничного транспорта, ведет к немедленному образованию провалов, оврагов и болот.
На побережье рассматриваемых морей имеется более 50 ключевых участков, приуроченных к береговым секциям разного типа, где сотрудниками Института мерзлотоведения СО РАН изучается динамика криогенных береговых процессов. Большинство таких участков находится в береговой зоне моря Лаптевых (рис. 8).
Одно из важнейших следствий термоабразионного разрушения арктических берегов – вынос на арктический шельф с суши большого объема терригенного материала. Как свидетельствуют соответствующие расчеты, его объем оказывается больше объема твердого речного стока [6, 7]. В последние годы в российской и зарубежной научной литературе все большее внимание уделяется балансу наносов на арктическом шельфе. В связи с прогнозируемым потеплением климата, немалый интерес проявляется и к проблеме поступления в арктический бассейн органического углерода, который является источником парниковых газов. Результаты наших исследований позволяют сделать обоснованные расчеты потока в море терригенного материала, в том числе и органического углерода из береговой зоны. Зная среднюю скорость отступания берега, его протяженность и среднее превышение над уровнем моря, можно определить объем пород, поступающих в море в результате абразии и других денудационных процессов, как для отдельного сектора, так и для всего рассматриваемого побережья. В то же время, имея осредненные данные о плотности и объемной льдистости разрушаемых пород, можно рассчитать массу перерабатываемого абразией терригенного материала. Масса же выносимого из береговых толщ органического углерода оценивается с учетом имеющихся средних данных о весовом содержании углерода в основных типах прибрежных отложений. Проведенные исследования позволили оценить итоговую массу наносов, выносимых в результате абразии из береговой зоны в бассейн морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, а также сравнить ее с массой терригенного материала, поступающего на шельф Северного Ледовитого океана из береговой зоны других арктических морей (таблица).
Вследствие активного разрушения Ледового Комплекса на значительной части прилегающего шельфа формируются суспензионные водные массы. Это хорошо видно на космических снимках, один из которых приведен на рис. 11.
Другое важное направление наших экспедиционных исследований в Арктике – это изучение распространения и трансформации подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне. «На дворе» XXI век, а мы до сих пор не знаем, в каком фазовом состоянии находятся грунты на гигантской площади под дном шельфа. Считанные и, к сожалению, относительно неглубокие скважины иногда вскрывают подводную мерзлоту, иногда – нет. Эта проблема, как ни странно, тесно связана с динамикой берегов, поскольку подводная мерзлота часто обнаруживается именно на мелководном шельфе, там, где, с геологических позиций, совсем недавно (5 – 15 тыс. лет назад) была суша с реликтовой мерзлотой, залитая водами последней морской трансгрессии или разрушенная термической абразией. В 2000 г. ученые из Германии (г. Киль, GEOMAR), совместно с российскими исследователями, на специализированном судне «Кимберлит» провели бурение в относительно глубоководной части восточно-лаптевского шельфа и на глубине около 15 м ниже дна моря обнаружили мерзлые породы с кристаллами пресного льда. Все были рады открытию, казалось бы, древней вечной мерзлоты под пятидесятиметровой толщей воды. Однако вскоре проведенный изотопный анализ образцов показал, что эти кристаллы льда образовались в подводных условиях при промерзании донных грунтов вследствие охлаждения дна при отрицательных придонных температурах морской воды.
Подошва ледового комплекса на многих участках побережья часто залегает ниже уровня моря. При этом верхние горизонты вечной мерзлоты, оказавшейся в результате термоабразии в подводном положении, продолжают активно перерабатываться криогенными процессами. В мелководной прибрежной зоне исследуемого региона уклон кровли субаквальных мерзлых пород обычно составляет от 0,005 до 0,02 (рис. 12). Таяние верхних горизонтов мерзлых пород, оказавшихся в подводных условиях, может приводить к просадке и общему углублению подводного склона, что косвенно усиливает скорость термоабразионного разрушения берега. Детальное изучение подводной мерзлоты – задача нашего ближайшего будущего.
В заключение следует отметить, что эрозия берегов является важнейшим фактором поступления терригенных наносов в моря Лаптевых и Восточно-Сибирское. Более ѕ всей массы осадков, поступающих на шельф вследствие разрушения берегов этих морей, продуцируется Ледовым Комплексом.
Литература
1. Воробьев В. И. Длина береговой линии морей СССР // Географический сборник. – М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1959. – № 13. – С. 28–34.
2. Леонтьев О. К. Геоморфология морских берегов и дна. – М.: Изд-во МГУ, 1955. – 254 с.
3. Арэ Ф. Э. Термоабразия морских берегов. – М.: Наука, 1980. – 160 с.
4. Григорьев Н. Ф. Многолетнемерзлые породы приморской зоны Якутии. – М.: Наука, 1966. – 180 с.
5. Григорьев М. Н., Куницкий В. В. Ледовый комплекс арктического побережья Якутии как источник наносов на шельфе // Гидрометеорологические и биогеохимические исследования в Арктике: Труды Арктического регионального центра. – Владивосток: ДВО РАН, 2000. – Т. 2. – Ч. 1. – С. 109–116.
6. Grigoriev M. N., Rachold V. The degradation of coastal permafrost and the organic carbon balance of the Laptev and East Siberian Seas. In: Proceedings of the 8th International Conference on Permafrost, 21 – 25 July 2003, Zurich, Switzerland. V. 1. – 2003. – P. 319–324.
7. Grigoriev M. N., Rachold V., Schirrmeister L., and H.-W. Hubberten. Organic carbon input to the Arctic Seas through coastal erosion. In: The organic carbon cycle in the Arctic Ocean: present and past. Edited by R.Stein and R.W.Macdonald. Springer Verlag, Berlin, Germany. – 2003. – P. 41–45.
8. Романкевич Е. А., Ветров А. А. Цикл углерода в арктических морях России. – М.: Наука, 2001. – 302 с.
9. Васильев А.А.Динамика берегов Карского моря / Криосфера Земли. Том X, № 2. – Новосибирск, Академическое изд-во «ГЕО», 2006. – С. 56–67.
10. Григорьев М.Н., Куницкий В.В., Чжан Р.В., Шепелев В.В. Об изменении геокриологических, ландшафтных и гидрогеологических условий в арктической зоне Восточной Сибири в связи с потеплением климата / География и природные ресурсы. – №2, 2009. – С. 5–11.
11. MacDonald R. W., Solomon S. M., Cranston R. E., Welch H. E. et al. A sediment and organic carbon budget for the Canadian Beaufort Shelf. Mar. Geol. 144. – 1998. – P. 255–273.
12. Reimnitz E., Graves S. M., Barnes P. W. Beaufort Sea coastal erosion, sediment flux, shoreline evolution and the erosional shelf profile. U.S. Geological Survey. To accompany Map I-1182-G. – 1988. – 22 p.
13. Naidu A.S. Organic carbon, nitrogen, and C/N ratios of deltaic sedimens, North Arctic Alaska. In: Degens ET, Kempe S, Herrera R (eds.) Transport of carbon and minerals in major world rivers. SCOPE 58, Mitt. Geol. – Palaeontol. Inst. Univ. Hamburg. – 1985. – P. 311–321.
14. Holmes M. R., McClelland J. W., Peterson B.J., Shiklomanov I. A. et al. A circumpolar perspective on fluvial sediment flux to the Arctic Ocean. Global biogeochemical cycles. – 2002. – 264 p.
15. Gordeev V. V., Rachold V. River input. In: The organic carbon cycle in the Arctic Ocean: present and past. Edited by R. Stein and R.W. Macdonald. Springer Verlag, Berlin, Germany. – 2003. – P. 33–41.
16. Stein R., MacDonald R. W. (eds.) Organic Carbon Cycle in the Arctic Ocean: Present and Past, Springer Verlag, Berlin. – 2003. – 333 p.
Берега арктической Якутии – «чемпионы мира» по скорости разрушения. На отдельных участках они отступают на 5 – 15 м в год. Дело в том, что в прибрежной зоне Якутии необычайно широко развит так называемый Ледовый Комплекс (рис. 6). Это покровные массивы, главным образом, позднеплейстоценовых (возраст от 10 до 100 тыс. лет) супесчано-суглинистых отложений, пронизанных мощными ледяными жилами. Происхождение Ледового Комплекса до сих пор дискутируется. Большинство ученых сходится во мнении, что он сформирован в условиях преобладающего осадконакопления, периодически обильного обводнения территории и экстремально низких среднегодовых температур воздуха. Тысячелетние процессы ежегодного морозобойного растрескивания грунтов и заполнения трещин тут же замерзающей влагой привели к образованию ледяных жил (повторно-жильных льдов), объем которых часто превышает объем вмещающих отложений. В плане система жил выглядит примерно как решетка. На поверхности она иногда проявляется в виде «шахматных» полигонов – обычного явления в тундре арктической Якутии. Объемная льдистость таких пород варьирует от 40 до 90%. Представьте, как быстро может происходить разрушение столь льдистой береговой породы, да еще в период сильных штормов. Высокие термоабразионные береговые уступы, имеющие облик ледяной стены, – очень частый элемент морских прибрежных ландшафтов Якутии (см. рис. 4).
Обычно изучение трансформации береговой зоны ведется двумя способами. Первый – получение данных по береговым створам (ежегодно или раз в несколько лет), а также на оборудованных реперами опытных площадках. Второй – теодолитная съемка подошвы и бровки термоабразионных клифов, контуров термотеррас, термоденудационных уступов, термоэрозионных оврагов и других, активно развивающихся экзогенных форм мерзлотного рельефа (рис. 9).
Данные теодолитной съемки накладываются на аэрофотоснимки прошлых лет (масштаб 1:25 000 – 1:50 000) для расчета многолетних площадных изменений исследуемых форм. Яркий пример такого сравнения, с использованием ГИС-технологий, – о. Муостах в губе Буор-Хая моря Лаптевых. На северном мысу этого острова отмечалась наибольшая скорость термоабразии, достигавшая 20 м в год (рис. 10).
Активное проявление криогенных береговых процессов – главная причина столь значительного выноса осадков. Ранее считалось, что северные реки – основной поставщик терригенного материала в арктический водный бассейн. Проведенные расчеты показывают, что в азиатском секторе России, как и во всем арктическом регионе, береговой вынос наносов почти вдвое превышает твердый речной сток. Масса же органического углерода, выносимого реками, значительно больше, чем поступающего из берегов. Лишь в районе Восточно-Сибирского моря береговой вклад органического углерода превышает речной. Ветровой и ледовый вынос терригенного материала в Северный Ледовитый океан почти на два порядка меньше берегового [14]. Такой баланс осадков с континента – одна из важных, исключительных особенностей динамики береговой природной системы в Арктике.
Первая страница
(c) 2001
