WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Григорьев Михаил Николаевич

КРИОМОРФОГЕНЕЗ И ЛИТОДИНАМИКА ПРИБРЕЖНО-ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЫ МОРЕЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

Специальность 25.00.08 инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Якутск  2008

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты  доктор географических наук, профессор

Владимир Романович Алексеев

доктор географических наук, профессор

Вячеслав Николаевич Конищев

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Октавий Несторович Толстихин

Ведущая организация Геологический факультет Московского государственного университета им М.В. Ломоносова

Защита состоится «21» октября 2007 г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Оригиналы отзывов на автореферат (в 2-х экз.), заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Марку Михайловичу Шацу.

Копии отзывов для скорой доставки можно направлять по Факсу: 8-4112-334-476 или электронной почтой: mpi@ysn.ru

Автореферат разослан «  » сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.г.н.          М.М. Шац

ВВЕДЕНИЕ



Актуальность. Предлагаемая тема исследований относится к фундаментальным проблемам эволюции Арктики в области взаимодействия криолитозоны, атмосферы и гидросферы. Эта тема входит в состав нескольких российских и международных программ и проектов, включая кластерные проекты Международного Полярного Года. Хотя арктическая прибрежно-шельфовая криолитозона изучается давно, влияние мерзлоты на эволюцию берегов и шельфовых систем арктической части Восточной Сибири до сих пор недостаточно оценивается в количественном и качественном отношениях. Льдистые берега чутко реагируют на происходящие в настоящее время климатические изменения во всем арктическом регионе. Поэтому мониторинг и прогноз динамики береговых линий, отступающий на отдельных участках этих морей со скоростью более 10 м в год, здесь являются первоочередными задачами. Их решение особенно важно для Восточной Сибири, теряющей более 10 кв. км прибрежной суши в год. Столь быстрое разрушение льдистых берегов обеспечивают процессы термической денудации, абразии и эрозии, термического карста и криогенные склоновые процессы в сочетании с другими процессами морфогенеза. Данная работа так же связана с оценкой баланса терригенных масс, поступающих в Северный Ледовитый океан (СЛО). В исследуемом регионе объем наносов, высвобождаемых вследствие разрушения берегов и выносимых на шельф, наибольший в Арктике. В потоке береговых наносов морей Восточной Сибири количество органического углерода превышает его суммарный вынос из берегов остальных арктических морей. Информация об объемах органики, ранее законсервированной в прибрежных многолетнемерзлых породах (ММП), и попадающей в море, важна для расчета дополнительных источников парниковых газов.

Субаквальные многолетнемерзлые породы (СММП) или подводная мерзлота – слабо исследованный объект шельфа Восточной Сибири. До сих пор неизвестно фазовое состояние грунтовых вод на огромных площадях под дном арктического шельфа, существуют ли реликтовые многолетнемерзлые породы в относительно глубоководной части шельфа арктических морей и даже вблизи отдельных типов побережья. Анализ материалов по прибрежной зоне шельфа, показывает, что динамика преобразования (в основном деградация) верхних горизонтов СММП весьма неоднородна вблизи разных типов побережья и при различных глубинах моря. Выявление закономерностей распространения и эволюции подводной мерзлоты на шельфе арктических морей – одна из актуальных проблем геокриологии.

Теоретические проблемы, рассматриваемые в работе, состоят в выяснении закономерностей криоморфогенеза в пределах, как наземной береговой системы, так и подводной, включающей верхние горизонты СММП на подводном береговом склоне. Для определения среднемноголетних скоростей отступания эрозионных берегов и подсчета минерального и органического материала, поступающего из береговой зоны на шельф в специфических природных условиях морей Восточной Сибири, разработана новая методика, включающая использование ГИС-технологий. Одной из теоретических задач являлось выяснение места и роли криогенных процессов в береговом морфогенезе морей Восточной Сибири. Современное потепление в Арктике поставило еще одну теоретическую проблему – оценку и прогноз реакции берегов на изменение климата. По предварительным данным, заметная активизация береговой эрозии отмечается лишь в период пиков потепления, в частности она четко выражена в 2004-2007 гг.

Не менее важной теоретической задачей является определение характера взаимодействия надводной (береговой) части криолитозоны с прилегающей подводной мерзлотой.  Оказалось, что динамически они тесно связаны. Ускорение или замедление темпов разрушения ММП в пределах одной из этих частей закономерно сказывается на состоянии другой системы. Анализ морфологии кровли СММП в прибрежной части исследуемых морей показал, что уклоны поверхности деградирующей подводной мерзлоты имеют достаточно сложный характер и, в целом, зависят от специфики прибрежно-морских гидрологических процессов, особенностей динамического режима береговой зоны, типа и конфигурации побережья.

Объект исследований – побережье и мелководная шельфовая зона арктических морей Восточной Сибири. Наиболее подробно исследованы льдистые берега, преобладающие в этом регионе, и мерзлота на прилегающем подводном береговом склоне, по которому, в отличие от относительно глубоководного шельфа, имеется достаточный объем мерзлотно-геологической информации.

Предмет исследований – взаимодействие процессов криоморфогенеза и литодинамики, оценка их роли в эволюции подводной и береговой мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Исследуются криогенные рельефообразующие процессы, их динамика и закономерности развития в береговой зоне и на прибрежном шельфе, формирование потоков наносов, попадающих на шельф из эрозионных берегов, а также эволюция СММП.

Методы исследований. Использовался комплекс мерзлотно-геологических методов в сочетании с методами морфогенетического анализа. Полевые методы исследований основывались на многолетних наблюдениях за береговыми сетями искусственных и природных реперов, теодолитной съемке для выяснения скоростей береговых процессов на ключевых участках; изучении естественных береговых разрезов (обнажений) и бурении профилей на побережье и прибрежном шельфе для определения состава, льдистости и других параметров пород. Дистанционные методы опирались на сравнительный анализ аэрофотоснимков (АФС), крупномасштабных топографических карт и космических снимков, а также на сравнение АФС с натурными данными. Для обработки дистанционных материалов использовалась ГИС-программа ENVI 3.4, 3.7. Методика лабораторных исследований включала ряд стандартных методов гранулометрического и минералогического анализа, определения содержания органики, льдистости-влажности пород, их возрастного датирования различными методами.

Для определения средних скоростей береговой эрозии и массы берегового материала, поступающего на шельф, была разработана методика, базирующаяся на детальном сегментировании побережий морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, описании и расчете их основных морфологических, геолого-геокриологических и динамических параметров. Для обобщения полученных данных и выявления различных динамических параметров береговой зоны, а также для современного информационного представления материалов исследований был использован ГИС-метод - создана береговая база данных исследуемых морей, включающая 13 основных мерзлотно-геологических и геоморфологических параметров для каждого из 123 береговых сегментов. База данных была организована с помощью ГИС-технологий (на основе пакета программ ArcInfo/ArcView 8.1).

Цель исследований – разработать современную концепцию формирования прибрежно-шельфовой криогенной геоморфологической системы в пределах морей Восточной Сибири, показать роль криоморфогенеза в ее эволюции и закономерные связи мерзлотно-геоморфологических и литодинамических процессов в пределах ее надводной и подводной подсистем.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

  1. проанализировать имеющиеся научные представления о криоморфогенезе и литодинамике в прибрежно-шельфовой зоне арктических морей;
  2. классифицировать морфодинамические типы побережий;
  3. изучить закономерности проявления и развития процессов криоморфогенеза, показать их роль и место в ряду других процессов морфогенеза, участвующих в трансформации морских берегов Восточной Сибири;
  4. определить среднемноголетние скорости отступания эрозионных берегов морей Восточной Сибири;
  5. оценить объемы осадков, включая органический материал, поступающих из берегов на арктический шельф;
  6. проанализировать имеющиеся материалы о распространении и темпах деградации верхних горизонтов подводной мерзлоты (СММП) в исследуемом регионе на основе данных буровых профилей, пройденных на прибрежном шельфе, геофизического зондирования и математических моделей;
  7. изучить среднюю скорость понижения (деградации) кровли СММП в различных природных условиях в пределах подводного берегового склона;
  8. исследовать закономерности, определяющие уклоны кровли СММП на ключевых участках прибрежного шельфа;
  9. выявить связи динамических параметров надводной и подводной частей криогенной прибрежно-шельфовой системы.

Научная новизна работы.

  1. Впервые количественно обоснована ведущая роль комплекса криогенных процессов (термоабразия, термоденудация, термокарст, солифлюкция, термосуффозия, а также боковая, донная и регрессивная термоэрозия) в разрушении морских берегов Восточной Сибири.
  2. Впервые оценены средние многолетние скорости отступания всей береговой линии морей Лаптевых и Восточно-Сибирского и всех их береговых сегментов.
  3. Впервые выяснено, что процессы берегового морфогенеза в пределах побережий, сложенных дисперсными плейстоценовыми льдонасыщенными породами («ледовый комплекс», занимающий более 30% протяженности побережий исследуемых морей), продуцирует на шельф 3/4 суммарного берегового потока наносов.
  4. Впервые установлено, что поток наносов из разрушающихся берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского составляет более 150 млн. тонн в год (более половины всего арктического потока берегового материала в Северный Ледовитый океан), что почти в три раза превышает объем регионального твердого речного стока.
  5. Впервые количественно оценена величина потока органического углерода, поступающего на шельф морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, формирующегося, преимущественно, в процессе берегового криоморфогенеза. Этот поток намного превышает объем выноса берегового органического углерода в остальные моря СЛО.
  6. Установлены средние уклоны кровли и темпы деградации подводной криорлитозоны на прибрежном шельфе морей Восточной Сибири.
  7. Доказана связь уклонов кровли СММП, понижающейся от береговой линии в сторону моря, с динамическим режимом береговой зоны.

Защищаемые положения.

1. В силу высокой льдистости многолетнемерзлых пород береговой зоны морей Восточной Сибири, где доля ледового комплекса от длины побережья составляет боле трети, процессы криоморфогенеза играют ведущую роль в разрушении их берегов, формируя самые динамичные в Арктике геоморфологические и ландшафтные зоны. Скорость разрушения береговых секторов, содержащих ледовый комплекс, в 5-7 раз выше, чем секторов с малольдистыми толщами. При этом, темп теряемой площади суши этих морей составляет 10,7 км2 в год.

2. Разрушаемые берега морей Восточной Сибири  продуцируют наибольшее количество берегового обломочного материала (152 млн. тонн/год) и органического углерода (4 млн. тонн/год), поступающих в арктический бассейн и превышающих суммарный береговой вынос всех остальных арктических морей (по обломочному материалу 55%, по органическому углероду 69%). Масса обломочного материала, поступающего из берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, почти в три раза превосходит региональный твердый сток рек.

3. Ледовый комплекс побережий морей Восточной Сибири является важнейшим источником берегового потока наносов, как в эти моря, так и в арктический бассейн в целом. Его доля в потоке наносов из берегов всех арктических морей составляет 42%, а по органическому выносу – 66%. Ведущим экзогенным фактором, определяющим объемы этих потоков, является криоморфогенез.

4. Скорость деградации реликтовых субаквальных многолетнемерзлых пород определяется их строением и мощностью залегающих на них осадков, а также температурой и соленостью придонного слоя воды и характером гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне шельфа. Эта скорость составляет первые десятки сантиметров в верхней части подводного берегового склона, а в нижней его части уменьшается до долей сантиметра в год. В связи с неравномерностью темпов протаивания СММП, их кровля, понижающаяся от берега в море, в большинстве случаев имеет вогнутый профиль.

5. Субаквальная мерзлота сохраняется на большей части подводного берегового склона морей Восточной Сибири и, являясь частью прибрежно-шельфовой криогенной системы, динамически связана с особенностями развития ее наземной части – многолетнемерзлых пород береговой зоны. Величина уклонов кровли СММП в пределах подводного берегового склона является функцией времени их нахождения в субаквальных условиях и определяется динамическим режимом прилегающего берегового сектора. Уклоны кровли подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне этих морей варьируют в широких пределах, от 0,0002 до 0,1, составляя в среднем 0,011.

Практическое значение работы связано с освоением береговой и подводной мерзлоты. Деструктивные криогенные процессы на исследуемом побережье протекают значительно активнее в сравнении с другими арктическими побережьями. Более трети от общей протяженности береговой линии морей Лаптевых и Восточно-Сибирского занимают берега, сложенные ледовым комплексом, который является весьма неустойчивым к воздействию моря, климатическому потеплению и антропогенному воздействию. Быстрое отступание береговых уступов, активизация поверхностных криогенных явлений на прилегающих участках побережья часто приводят к разрушению домов, других инженерных сооружений и коммуникаций, береговых навигационных сооружений – маяков, к утере радиоактивных навигационных объектов (радиоизотопных термоэлектрических генераторов). Отмечающееся в Арктике потепление климата и сокращение площади паковых льдов будут способствовать активизации штормовых условий, увеличению мощности сезонно-талого слоя (СТС) и ускорению отступания берегов. Это усилит поступление из берегов на шельф эрозионного потока наносов, включая органический углерод, который является дополнительным источником парниковых газов, метана и углекислого газа. Научная оценка и прогнозирование отмеченных явлений позволяют минимизировать риски освоения изучаемых прибрежных территорий в отношении береговой эрозии и деструктивных криогенных процессов.

Толщи ММП шельфовой зоны оказались под водой из-за последней трансгрессии и быстрого отступания берегов морей Восточной Сибири. Доказано, что в пределах подводного берегового склона темпы деградации подводной мерзлоты (СММП) сверху достигают первых десятков сантиметров в год, что ведет к соответствующим просадкам дна, часто компенсирующимся наносами из берегов. Контроль изменения глубин - важнейшего навигационного параметра, с учетом влияния процессов деградации СММП, имеет существенное практическое значение. Мерзлотные особенности дна моря Лаптевых важны и как инженерная основа для любых видов работ на шельфе, например, в случае начала освоения углеводородных и других ресурсов на восточно-арктическом шельфе. Изучение СММП важно так же для поиска газоконденсатных месторождений на шельфе, поскольку само существование этой субстанции возможно лишь в относительно узком термодинамическом диапазоне: высокое давление и низкая температура. Подводная мерзлота может быть «хранителем» такого сырья.

Достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации сформулированы на основе анализа фактического материала, полученного в результате многолетних наблюдений за развитием арктических берегов и изучения субаквальной криолитозоны буровыми методами. Для оценки средних многолетних скоростей разрушения берегов и объемов выноса из них обломочного и органического материала была создана база данных с информацией по 123-м береговым сегментам изучаемых морей. Для анализа эволюции и распространения подводной мерзлоты были привлечены все собственные и опубликованные материалы по буровым профилям.

Все полученные материалы методически обоснованы. Выводы и расчеты, касающиеся определения основных параметров развития криогенных процессов на берегах и в пределах подводного берегового склона, подкрепляются большим объемом фактического материала. Полученные данные ежегодно обсуждались автором с российскими и зарубежными коллегами, докладывались на сорока пяти конференциях, опубликованы в 62 статьях, а также цитировались в десятках научных изданиях.

Личный вклад автора. Диссертация выполнена автором в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН в рамках программ фундаментальных исследований РАН и СО РАН, проектов РФФИ, ряда региональных, российских и международных арктических программ и проектов. В работе использованы результаты исследований, проведенных в 1982-2007 гг. под руководством и непосредственном участии автора на арктическом побережье Якутии и шельфе морей Лаптевых и Восточно-Сибирского в составе 23-х экспедиций.

       Фактический материал по всем ключевым участкам побережья исследуемых морей собран, обработан и проанализирован непосредственно автором. Автор принимал участие в береговых исследованиях и бурении на шельфе, в том числе, в их организации. Идея и методика создания базы данных берегов морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского и их воплощение принадлежат автору, включая детальные оценки динамики берегов и потоков береговых наносов. Существенная активизация научно-экспедиционных исследований в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Сибири в течение последних 10 лет (1998-2007 гг.) стала возможной благодаря Российско-Германскому сотрудничеству в рамках межправительственного проекта «Система моря Лаптевых». В ходе проекта были проведены дорогостоящие работы с соответствующим транспортным, буровым, современным приборным и аналитическим обеспечением, получен большой массив новых данных, в частности по мерзлоте, геологии и геоморфологии этого региона. Автор был в числе руководителей и организаторов всех десяти совместных экспедиций.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях и совещаниях: «Рациональное природопользование в криолитозоне», Якутск (1990 г.); «Эволюционная геокриология. Процессы в Арктических районах на территории криолитозоны», Пущино (1995 г.); Первая конференция геокриологов России. МГУ, 1996; «Фундаментальные исследования криосферы Земли в Арктике и Субарктике», Пущино (1996 г.); 3rd QUEEN Workshop (Quaternary Environmental of the Eurasian North), Oystese, Norway (1999 г.); «Мониторинг Криосферы», Пущино (1999 г.); «Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке», Москва, ИО РАН (2000 г.); 4th Workshop QUEEN (Quaternary Environment of the Eurasion North); International Workshop on Land-Ocean interactions in the Russian Arctic (LOIRA), Moscow (2000 г.); «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли», Пущино, (2001 г.); ACIA Workshop «Russian climate research and monitoring in the Arctic», St Petersburg, Russia, (2001 г.); 2nd workshop «Siberian river run-off» (SIRRO), Bremerhaven, Germany (2001 г.); «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты», Пущино (2002 г.); «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущино (2003 г.); 8th International Conference on Permafrost, Zurich, Switzerland (2003 г.); 5th Workshop «Arctic Coastal Dynamics», MacGill University, Montreal, Canada (2004 г.); «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень (2004 г.); «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли», Пущино (2005 г.); 2nd European Conference on Permafrost, Potsdam, Germany (2005 г.); «Россия в Международном Полярном Году 2007/08», Сочи (2006); «Проблемы корреляции плейстоценовых событий на Российском Севере» (COPERN), ВСЕГЕИ, C.-Петербург (2006 г.); 8th Workshop «Laptev Sea System, Process Studies on Permafrost Dynamics in the Laptev Sea», St. Petersburg, AARI (2006 г.); «Россия в Международном Полярном Году: первые результаты», Сочи (2007 г.).

  1. Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 статей, в том числе 14 статей в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК: «Криосфера Земли», «Океанология», «Наука и образование», «Вестник Московского университета» (серия География), «International Journal of Earth Sciences», «Permafrost and Periglacial Processes», «Quaternary International», «International Journal of Marine Geology. Geo-Marine Letters», «Transactions, American Geophysical Union», «Journal of Coastal Research», «Journal of Geophysical Research. Solid Earth», а также авторская и три коллективные монографии.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения и приложения. Общий объем работы составляет 290 страниц, включая 33 таблицы, 100 рисунков и список литературы из 326 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Института мерзлотоведения СО РАН, совместно с которыми проводились арктические исследования, – С.О. Разумову, С.Ю. Королеву, Е.А. Слагоде, А.Н. Курчатовой, Ю.В. Шумилову, А.К. Потибенко, К.Л. Киренскому, Н.И. Новикову, В.А. Николаеву, а также ведущим ученым института – Р.В. Чжану, В.В. Шепелеву, М.Н. Железняку, Р.М. Каменскому, В.Т. Балобаеву, В.Б. Спектору за советы и замечания.

Искренняя признательность сотрудникам других организаций, спутникам и помощникам в полярных экспедициях – Ю.Л. Шуру, Д.Ю. Большиянову, А.Ю. Деревягину, Т.В. Кузнецовой, Е.Н. Абрамовой и зарубежным ученым - Ф. Рахольду, Х.-В. Хуббертену, Е.-М. Пфайффер, Л. Ширрмайстеру, В. Шнайдеру, Г. Швамборну, Г. Гроссе, Р. Юнкеру, М. Фукуде, М. Алларду, Спасибо за поддержку наших арктических исследований Л.А. Тимохову, С.М. Прямикову, Х.-М. Кассенс, Й. Холлеману, Т. Остеркампу, Дж. Брауну, Н. Котре, П. Овердуину. Большая благодарность за помощь в организации полевых работ Ю.А. Бражникову, Д.В. Мельниченко, Н.А. Манько, В.А. Добробабе, Д.Н. Горохову, А.Ю. Гукову, И.Ф. Воробьеву, Я.В. Биллеру и В.М. Макагонову.

Особую благодарность хотелось бы выразить ведущим специалистам по береговым процессам и субаквальной криолитозоне Арктики Ф.Э. Арэ и Н.Н. Романовскому за постоянную научную и моральную поддержку, а также многолетнему (с 1982 г.) полевому спутнику и мудрому советнику В.В. Куницкому.

Хочется поблагодарить университетских (МГУ) научных руководителей автора в студенческие и «послестуденческие» годы Г.И. Рычагова и Е.И. Игнатова, которые направили интерес автора к познанию береговых и шельфовых процессов в начале его научного пути.

Автор всегда будет благодарен своим родителям - отцу, мерзлотоведу и полярнику, Н.Ф. Григорьеву и матери, тоже мерзлотоведу, Т.П. Кузнецовой за то, что, начиная еще со школьных лет, они привили мне тягу к полевым работам на севере Сибири и любовь к Арктике.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 «Аналитический обзор. Основные терминологические понятия и изученность» подробно рассматриваются терминологические понятия, которые используются в работе. Сделан обзор терминов по разным типам отрицательно-температурных пород, береговой и прибрежно-шельфовой зонам, лито- и морфодинамике, мерзлотной геоморфологии, а также, отдельно, по криогенным геоморфологическим процессам. Определено, почему те или иные термины используются в диссертационной работе. Проведен анализ подходов к предмету мерзлотной геоморфологии в тех рамках, в которых в последующих главах рассматриваются процессы криоморфогенеза и литодинамики.

Изучение береговой зоны морей Восточной Сибири проводили многие исследователи (Толь, 1897; Ермолаев, 1932; Вильнер, 1955; Гаккель, 1957, 1958; Митт, 1954; Н. Григорьев, 1966; Клюев, 1970; Каплин и др., 1971; Holmes, Creager, 1974; Молочушкин, 1975; Аре, 1980, 1985, 1987; Новиков, 1981, 1984; Арчиков и др., 1982; Коротаев, 1984; Григорьев, 1993, 1996, Reimnitz, et al. 1994; Разумов, 1996; Павлидис и др., 1998; Are, 1998; Каплин, Селиванов, 1999; Лопатин, 1999; Medkova, 1999; Semiletov, 1999, 2000; Григорьев, Куницкий, 2000, 2007; Rachold et al., 2000, 2002, 2007; Are et al., 2000, 2005, 2008; Романовский и др., 1999, 2006;  Романкевич, Ветров, 2001; Слагода, 2002; Разумов, 2001, 2003, 2007; Grigoriev et al., 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007; Григорьев, 2004; Григорьев и др., 2006; Overduin et al., 2007; Grigoriev, 2007 и другие). Тем не менее, существует множество пробелов как в понимании закономерностей развития береговых процессов, так и в информации о скоростях развития берегового морфогенеза. Значительное число крупных береговых секторов побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского до сих пор не изучалось ни полевыми, ни дистанционными методами. На рисунке 1 показаны все ключевые участки, где проводилось изучение берегов морей Восточной Сибири.  Со второй половины ХХ века стали применяться методы сравнительного анализа аэрофотоснимков разных лет и повторных инструментальных (топографических) съемок. В 70-х – 90-х годах прошлого века и в начале этого  проводился регулярный многолетний мониторинг за отступанием берегов с помощью реперных сетей. В изучаемом регионе такие наблюдения осуществляются лишь на нескольких ключевых участках. В изучаемом регионе такие наблюдения осуществляются лишь на нескольких ключевых участках. К ним относятся о-в Муостах и Быковский п-ов в море Лаптевых. Ключевые участки по берегам Восточно-Сибирского моря находятся в районе мыса Крестовского.

Рис. 1. Схема ключевых участков на побережье морей Восточной Сибири, изученных в отношении темпов береговых процессов (черный круг – участок полевых исследований автора).

Ключевых участков изучения подводной мерзлоты гораздо меньше, чем береговых (рис. 2). Впервые подводную мерзлоту, описанную в литературе, наблюдал в 1739 г. Х.П. Лаптев, в море же Лаптевых, вблизи восточного побережья п-ова Таймыр (Лаптев, 1851). Участники экспедиций: Э.В. Толль (1901), Ф.А. Маттисен (1903), М.И. Бруснев (1904), А.В. Колчак (1909) и Х.У. Свердруп (1930), исследуя моря Восточной Сибири, отмечали на отдельных участках мерзлое состояние донного грунта. Первые серьезные исследования подводной мерзлоты с получением буровых кернов, проведены в этом регионе В.М. Пономаревым (1940) в бухте Кожевникова, на дне которой установлены слоистые мерзлые породы. Во второй половине ХХ и в начале этого века буровые и геофизические работы проводились на шельфе изучаемых морей на 30-ти ключевых участках.

Рис 2. Схема ключевых участков изучения СММП Восточной Сибири (серый круг – участок, где имеются опубликованные материалы по буровым профилям, вскрывшим СММП).

К настоящему времени заметно увеличился объем информации об арктических толщах СМПП. Такая информация приводится в ряде изданных работ (Пономарев, 1950; Н. Григорьев, 1952, 1973, 1966, 1987; Иванов, 1969; Клюев 1970; Каплин и др., 1971; Катасонов, Пудов, 1972; Reimnitz et al., 1972, 1994; Mackay, 1972; Молочушкин, Гаврильев, 1970; Молочушкин, 1973; Schneider et al., 1975; Соломатин, Фишкин, 1975; Аре, 1976, 1980, 1987; Hum,, Schalk (1976); Macaulay et al., 1977; Rodgers, Morack, 1977; Данилов, Жигарев, 1977; Жигарев, Плахт, 1977; Фартышев, 1978, 1993; Chamberlain et al, 1978; Osterkamp, Garrisson, 1978; Данилов, 1978; Соловьев, 1981; Жигарев, 1981; Антипина и др., 1981; Куницкий, 1986; Taylor et al., 1989; Ним, 1989; Григорьев, 1993, 1996; Павлидис и др., 1998; Hinz et al., 1998; Bauch et al., 1999; Григорьев, Куницкий, 2000; Kassens., 2000, 2001; Gavrilov et al., 2001, Kholodov et al., 2001; Tipenko и al, 2001; Hubberten, Romanovskii, 2001, 2003; Romanovskii et al., 1998, 2000, 2003; Слагода, 2002; Куницкий, 2007; Разумов, 2007 и другие). Несмотря на довольно большой список приведенных публикаций, ряд важнейших параметров СММП практически не изучен. Это, прежде всего, связано с незначительным объемом фактического материала, полученного по результатам буровых работ, которые проведены лишь на некоторых прилегающих к берегам мелководьях и в весьма малых объемах.

В районах развития современных дельтовых образований, выдвигающихся в море, и в мелководных заливах часто происходит новообразование многолетнемерзлых толщ, мощность которых достигает 10-20 м. Зона их распространения обычно ограничена изобатой 2,5 м, а по горизонтали - до 20 км в море от края дельт. Изучением таких толщ в прибрежной зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского углубленно  занимались Н.Ф. Григорьев, 1966; Е.Н. Молочушкин, 1975; М.С. Иванов, 1969; В.А. Соловьев, 1983; Л.А. Жигарев, 1981 и другие.

Наличие некоторого числа имеющихся в литературе карт и схем, приведенных в работе и показывающих особенности распространения и свойства арктической подводной криолитозоны, не говорит о достаточной изученности этого объекта. Такие материалы подготовлены на основе лишь косвенных (геофизическое зондирование, моделирование и т.д.), а не прямых фактических данных. Анализ изученности прибрежно-шельфовой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского показывает, что в целом этот регион в отношении береговых криогенных процессов до сегодняшнего дня исследован недостаточно. Территория шельфа Восточной Сибири в геокриологическом отношении крайне слабо изучена. Фактические (буровые) данные о развитии толщ СМПП в области относительно глубоководных частей этого шельфа отсутствуют. Лишь один буровой профиль, мерзлотные данные которого пока что не опубликованы, может характеризовать малую часть этой области, расположенную к северо-западу от о-ва Бельковский (фонды Российско-германской экспедиции, 2000 г.). Вместе с тем геокриологическая и геоморфологическая изученность морских берегов Восточной Сибири резко возросла в последние 10 лет, в результате работ ежегодных российско-германских экспедиций, в рамках межправительственного проекта «Система моря Лаптевых».

  Следует подчеркнуть, что процессы развития береговой зоны, динамика криогенного рельефа и особенности СММП изучены в море Лаптевых существенно лучше, чем в Восточно-Сибирском.

В главе 2 «Общие физико-географические и мерзлотно-геологические сведения об изучаемом регионе»  приводится анализ данных обобщающих публикаций, посвященных изучению геолого-географических условий берегов и шельфа, а также мерзлотно-геоморфологических исследований автора. Рассмотрены основные морфометрические параметры берегов и шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, особенности речного стока  и основные гидрометеорологические условия этого региона. Отмечается большая роль ветрового режима и ледовых условий в динамике берегов. Кратко охарактеризован температурный и солевой режим придонных вод, имеющий значительные сезонные вариации и зависимость от батиметрических параметров. Подчеркивается значительное опреснение морских вод, особенно в центральном и восточном секторах моря Лаптевых и широкое распространение отрицательно-температурных вод в придонном слое. 

Проанализированы мерзлотно-геологические и геоморфологические параметры побережья и прилегающего шельфа. Мощность ММП на побережье составляет от 400 до 700 м (Пономарев, 1937, Григорьев, 1960, 1966). Фактической информации о мощности криолитозоны на прилегающем шельфе на настоящий момент нет. Главной отличительной особенностью изучаемой области является самое широкое, по сравнению с другими арктическими регионами, распространение в ее пределах льдистых толщ (ледовый комплекс), объемное содержание льда в которых может превышать 80 %. Берега, содержащие ледовый комплекс, занимают 37 % протяженности побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского и играют очень важную роль в формировании потоков терригенных наносов, уходящих на шельф. Имеется целый ряд концепций о происхождении ледового комплекса (Попов, 1953; Алексеев, 1970; Конищев, 1975; Лаврушин, 1963; Гравис, 1969, 1986; Томирдиаро, Черненький, 1987; Катасонов, 1963, 1973; Иванов, Катасонова, 1978; Куницкий, 1989). Автор придерживается мнения о полигенетическом генезисе ледового комплекса. Главная особенность отложений этого комплекса – наличие в них мощных повторно-жильных льдов, вертикальный размер которых достигает 50 м, а ширина – 7-8 м. Установлено, что льдистые толщи часто залегают ниже уровня моря.        





Вдоль побережья арктического сектора Азии природная обстановка в плейстоцене и голоцене была крайне изменчива. В прибрежно-шельфовой зоне надежно устанавливаются следы нескольких регрессивно-трансгрессивных фаз. Они связываются с гляциоэвстатическими изменениями моря, уровень которого понижался 18-16 тыс. лет назад до изобат около 100 м, затем (11 тыс. лет назад) поднимался до изобаты 40 м и в середине голоцена достиг своего современного положения (Арэ, 1982). Уровень моря в послесартанскую трансгрессию поднимался со средней скоростью 9 м за 1 тыс. лет. Это вызвало отступание береговой линии в глубь суши со скоростью от 50 до 1200 м/год. После завершения подъема уровня моря за последние 5 тыс. лет полоса разрушенных термоабразией пород ледового комплекса могла достигать ширины 10-30, а местами 50 км (Арэ, 1980, 1983). Наиболее типичные скорости современного термоабразионного разрушения береговых уступов, сложенных льдистыми породами, по данным ряда авторов, составляют от 2 до 6 м/год (Хмызников, 1937; Н. Григорьев, 1966; Клюев, 1970; Сафьянов, 1978; Арэ, 1980).

Заключительная часть главы 2 содержит геологический очерк. Этот очерк базируется на изданных материалах (Никонов, 1977; Хаин, 1979; Геологическая..., 1978; Тектоническая..., 1979; Геологическая карта…, 1980; Геология.., 1981; Геология Якутской АССР, 1981; Геологическое строение, 1984; Структура..., 1985; Томирдиаро, Черненький, 1987; Гросвальд, Спектор, 1993;  Имаев и др., 2000). Они излагаются автором с позиций проблем геоморфологического и геокриологического изучения территории прибрежно-шельфовой зоны Восточной Сибири.

В главе 3 «Методика исследований» рассматриваются методические подходы к изучению процессов криоморфогенеза, литодинамики и развития субаквальных многолетнемерзлых пород (СММП) в береговой зоне и на прибрежном шельфе исследуемых морей.

Динамика берегов и темпы протекания криогенных береговых процессов изучались путем экспедиционного мониторинга – оборудование реперами опытных площадок и береговых створов на ключевых участках для производства измерений и теодолитная съемка форм мерзлотного рельефа. Камеральный метод изучения динамики берегов основывался на анализе дистанционных материалов. Данные современных измерений по реперным сетям и теодолитных съемок накладывались на аэрофотоснимки (АФС) 1951-1986 гг. (масштаб от 1:25 000 до 1:70 000) для расчета многолетних линейных и площадных изменений исследуемых форм. Наибольшее внимание уделялось льдистым берегам как самому распространенному их типу на побережье и криогенным процессам, играющим главную роль в темпах трансформации береговой зоны. Оценка средних темпов отступания берегов осуществлялась на репрезентативных участках на основе экспедиционных наблюдений и измерений, а также привлечения дистанционных материалов. Определялись морфологические параметры берегов: абсолютные высоты береговых уступов и склонов, их крутизна, расчлененность и т.д. (рис. 3)

Изучение динамики низких аккумулятивных берегов оказалось сложной задачей из-за изменчивого режима сгонно-нагонных явлений и ежедневного перемещения береговых линий. В этом случае обычно использовались низкие (высотой 0,2-0,5 м) стабильные береговые уступы, которые фиксируются на АФС. При анализе дистанционных материалов, для оценки средней многолетней скорости изменения береговых форм, использовались современные ГИС-технологии и компьютерные программы (ENVI 3.1-3.4., ArcView-ArcInfo 8.1). Следует подчеркнуть, что метод дистанционного анализа изменения береговых линий иногда даже предпочтительней измерений на местности. При наличии необходимых картоматериалов, АФС и спутниковой информации, он позволяет оценить большие участки берегов, вплоть до  всей береговой зоны моря. Однако есть и существенные минусы. Во-первых, необходимое количество дистанционных материалов хорошего качества для анализа динамики берегов трудно найти или слишком дорого приобрести. АФС до сих пор не покрывают всю береговую зону Российской Арктики. Их особенно недостаточно на район побережья Восточно-Сибирского моря. Во-вторых, разрешающая способность и качество карт и снимков часто не удовлетворяют требованию точной привязки к ним современных береговых линий и форм рельефа. В особенности это относится к берегам с малоактивной динамикой.

Рис. 3. Наложение данных современной теодолитной съемки на аэрофотоснимок 1969 г. Мыс Мамонтов Клык, море Лаптевых (слева); перенос контуров береговой линии и бровки термоабразионного и термоденудационного клифов с АФС 1981 г. на АФС 1951 г. Урочище Мамонтовый-Хаята, Быковский п-ов, залив Буор-Хая (справа).

Методика расчета потоков материала, поступающего на шельф из эродируемых берегов, базируется на определении и соотношении нескольких параметров, характеризующих динамику, литологию, геокриологическое строение и морфологию  пределах каждого из выделенных береговых секторов исследуемых морей. К таким параметрам относятся: 1 – длина береговой секции (L, м, км); 2 –средняя высота берегового уступа или склона (H, м); 3 – средний темп эрозионного отступания берега (V, м/год); 4 – среднее объемное содержание льда в породе (W, %); 5 – средняя плотность пород (D, г/см3 - т/м3); 6 – среднее весовое содержание органического углерода в породах (C, %). Объем породы (N), поступающий в течение года из одного определенного берегового сегмента на шельф, рассчитывается по формуле: N = L • H • V.

       Чтобы получить объем скелета породы (ND), из общего объема породы, вычитается объем влаги или льда (W, %): ND = N • (1-W).

       Для установления массы эродируемого обломочного (минерального и органического) материала (MS), высвобождаемого из берегового сегмента за год, объем пересчитывается в массу: MS = ND • D.

       Расчет массы органического углерода (MC), содержащегося в определенной ранее массе всего обломочного материала (MS), производится по следующей формуле:

MC = MS • C(%).

Определение длины береговой линии выделенных сегментов выполнялось по результатам собственных инструментальных измерений на ключевых участках, по литературным данным, с помощью анализа крупномасштабных топографических карт и АФС, с учетом коэффициента извилистости береговой линии. Также использовались материалы мировых  баз данных по батиметрии и берегам (IBCAO, GEBCO Coastline, World Vector Shoreline – векторная береговая линия мира). Средняя высота клифов или вершин береговых склонов так же определялась по результатам собственных измерений, литературным данным, топографическим картам и АФС. Для оценки состава береговых толщ были привлечены материалы, касающиеся геологического строения берегов исследуемого региона (в основном изученные разрезы и детальные карты по четвертичной геологии). Проводилось изучение состава береговых отложений с определением их плотности и объемной льдистости. Данные о среднем темпе эрозионного отступания или выдвижения берегов, а также о степени их стабильности были получены на более чем пятидесяти ключевых участках побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. На ряде участков, где береговые исследования не проводились, для определения динамических параметров берегов использовался метод аналогии с уже исследованными участками, исходя из идентичности их морфологических,  литологических и геокриологических характеристик. Учитывались контуры берегов, степень мелководности прилегающего шельфа, гидродинамические особенности в прибрежной зоне и особенности ледового режима в районе описываемого берегового сектора. Среднее содержание льда в ММП было получено по многочисленным собственным и имеющимся опубликованным данным определений льдистости-влажности грунтов различных литологических и генетических типов. Средняя плотность пород была принята согласно нормативным документам ГОСТ и СНИП, а также взята из ряда литературных источников как для  конкретных участков береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, так и по средним значениям для дисперсных пород (Арэ, 1998; Органическое вещество, 1990; Романкевич, Ветров, 2001, Stein, MacDonald, 2004 и др.). Среднее содержание органического углерода в породах было взято из литературных источников, а также определялось по образцам, отобранным на 21-м береговом участке.

В первую фазу составления береговой базы данных проводилась сегментация берегов, т.е. разделение берегов на определенные участки, характеризующиеся определенным набором параметров, достаточно типичных именно для данного берегового сектора и отличающихся по комплексу этих параметров от соседнего. Основные принципы выделения берегового сегмента: 1) примерно одинаковый динамический режим в пределах берегового отрезка; 2) сходное литологическое строение на большей части сегмента; 3) сравнимый диапазон абсолютных высот преобладающего числа клифов и береговых склонов; 4) примерно одинаковое геокриологическое строение на преобладающей части сегмента (прежде всего льдистость пород). Выделенные береговые сегменты представлены на прилагаемых схемах (рис. 4).

Для оценки средних многолетних скоростей изменения береговых линий, объемов эродируемого материала, поступающего на шельф, и других параметров береговой зоны сформирована база данных берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского на основе электронной карты прибрежно-шельфовой зоны этих морей. В ее состав включены следующие основные слои: береговая линия, береговые сегменты и собственно информационный блок, состоящий из 18 параметров. К ним относятся: 1 - название моря; 2 - номер берегового сегмента (с запада на восток); 3 - местоположение сектора, географическая привязка крайних точек сегмента; 4 - географические координаты крайних точек сегмента; 5 - основные береговые формы рельефа; 6 - преобладающие типы динамического развития берегов; 7 - преобладающие литологические типы пород, слагающих берега; 8 - среднее расстояние от береговой линии до изобат (м): 2, 5, 10, 100 м; 9 - длина береговой линии секции (км); 10 - средняя высота бровок береговых уступов или береговых склонов (м); 11 - средний темп перемещения береговой линии (м/год); 12 - среднее объемное содержание льда в породах, слагающих берега (%). 13 - средняя плотность сухого скелета пород, слагающих берега (г/см3 – т/м3); 14 – масса обломочного материала, выносимого из разрушаемых берегов на шельф за один год (т/год); 15 – среднее весовое содержание органического углерода в береговом обломочном материале (%); 16 – масса органического углерода, выносимая из разрушаемых берегов на шельф за один год (т/год); 17 – краткая информация по специфическим ключевым участкам; 18 – иллюстративный материал по ключевым участкам;

Заключительный раздел информационного блока базы данных включает средние значения приведенных выше количественных параметров береговой зоны для каждого из исследуемых морей.

Рис. 4. Сегментация берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского (для формирования береговой базы данных).

Изучение субаквальных многолетнемерзлых пород проводится по данным их бурения и геофизического зондирования, а также путем моделирования прибрежно-шельфовой части криолитозоны.

Буровые работы - самый надежный источник информации о СММП. Преобладающая часть этих данных получена путем бурения с морского льда в весенний период. Максимальное расстояние от суши до морских скважин не превышает первые десятки километров (проливы Дм. Лаптева и Санникова). Профили, как правило, располагались по нормали к берегу и начинались от береговой зоны. Для проведения бурения со льда обычно организовывались санно-тракторные поезда. В процессе бурения со льда скважины обсаживались. Обсадка перекрывала лед, воду и талые донные осадки для защиты керна от контакта с морской водой. Диаметр бурового снаряда составлял от 56 до 160 мм. Для изучения развития СММП и криопэгов в зоне лежащего на грунте припайного льда, в интервале глубин моря до 2-х метров, проводилось бурение по серии неглубоких профилей. При бурении и последующей аналитической обработке материала применялись следующие методы исследований:1) измерение температуры воды и горных пород; 2) отбор проб воды и грунта; 3) детальное описание керна; 4) изучение солевого состава проб; 5) определение теплофизических свойств грунта; 6) определение влажности-льдистости отложений; 7) определение абсолютного возраста отложений; 8) гранулометрический и минералогический анализы.

       Имеющиеся данные по морю Лаптевых, полученные методами геофизического зондирования, принадлежат в основном к относительно глубоководной части шельфа. Анализ этих материалов выявляет в донных осадках рефлекторы (отражающие горизонты/поверхности) похожие по морфологии и геофизическим свойствам на кровлю СММП (Rachor, 1999; Schwenk et al., 2005; Рекант и др., 1999, 2001; Rekant, 2002, Drachev et al., 2002 и др.). Наши работы на мелководных участках шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского проводились с использованием геофизического оборудования (Echo Sounder – Geoacoustics GeoChirp 6100A). Участки работ располагались у восточной окраины дельты Лены, вблизи Быковского п-ова, у западного побережья п-ова Буор-Хая, в Ванькиной губе и в проливе Дм. Лаптева. В пределах этих участков обнаружить с помощью имеющейся аппаратуры достаточно четкий рефлектор, идентифицирующий положение кровли СММП, не удалось. Однако сейсмоакустическое профилирование позволило получить некоторые данные об особенностях деградации льдистых СММП. Например, на сейсмограммах в проливе Дм. Лаптевых были установлены границы, идентифицируемые как остатки ледового комплекса, избирательно протаивавшего по мощным повторно-жильным льдам (рис. 5).

Рис. 5. Сейсмоакустический профиль дна пролива Дм. Лаптева. Слева вид берегового рельефа с байджарахами в области развития ледового комплекса на побережье Восточно-Сибирского моря (Are et al., 2000).

Моделирование прибрежно-шельфовой криолитозоны применялось для рационального расположения буровых скважин и геофизических профилей. Использовались в основном имеющиеся модели субаквальной криолитозоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, созданные рядом исследователей (Соловьев, 1981, 1983; Жигарев, 1981, Фартышев, 1993, Romanovskii et al., 1998, 2000, 2001, 2003; Hubberten, Romanovskii, 2001, 2003).

В главе 4 «Криоморфогенез береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского» рассматриваются экзогенные береговые процессы. Среди них различаются эоловые и биогенные, гравитационные и хемогенные, а также техногенные и некоторые другие процессы. Все они условно противопоставляются криогенным процессам. Комплекс криогенных процессов включает в себя криогенное выветривание, морозное пучение, морозную сортировку материала, криогенный крип, нивацию, морозобойное трещинообразование, криогенную солифлюкцию, термическую денудацию, термоабразию и термосуффозию, термический карст, боковую, донную и регрессивную термоэрозию. Совокупность этих процессов понимается как криоморфогенез. В данной главе основное внимание уделяется особенностям проявления криоморфогенеза в прибрежно-шельфовой зоне Восточной Сибири. Самыми распространенными и активными криогенными процессами в этой зоне являются термоабразия, термоденудация и солифлюкция. Термоабразия здесь обычно протекает в 3-4 раза интенсивнее, чем собственно абразия (Арэ, 1980). Скорость термоабразии берегов моря Лаптевых и берегов Восточно-Сибирского моря местами достигает 20 м/год.

Изучение динамики берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского проводилось нами в течение почти 25 лет (1982-2007 гг.) на более чем 50 ключевых участках.

К основным факторам, определяющим динамику переработки берегов, принято относить мощность, продолжительность и направленность гидрологических и метеорологических процессов, батиметрические параметры берегового подводного склона, конфигурацию береговой линии, высоту и  крутизну  берегового уступа, геокриологическое и литологическое строение берегов. Иногда в течение одного сильного и продолжительного шторма отступание бровки термоабразионного берегового уступа (при блоковом  разрушении) может  достигать 10-20 метров. При этом, наибольшие скорости термоабразионного разрушения отмечаются, как правило, вблизи приглубых зон, на мысах и береговых участках,  сложенных дисперсными льдистыми породами, где присклоновый шлейф быстро размывается волнами. Эти условия благоприятствуют образованию протяженных волноприбойных ниш, врезающихся в основание уступов на 5-10 м. Почти половину разрушающихся льдистых берегов морей Восточной Сибири следует относить к термоабразионно-термоденудационному типу. Такие берега обычно отличаются наличием отчетливо выраженных термотеррас и достаточно крутых клифов.

Крутизна береговых уступов предопределяет быстрое удаление со склонов (в основном гравитационными процессами) талого материала. В связи с этим, верхняя, а часто и средняя части берегового уступа подвержены термической денудации, приводящей к формированию крутых термоуступов. Она не затухает лишь в условиях постоянной или периодической термоабразионной или абразионной переработки нижележащих участков. Таким образом, термоденудация морских береговых уступов без термоабразионной и абразионной работы моря не имеет длительного развития. Скорость термоденудации на определенных участках может опережать скорость термоабразии. В этом случае в прибрежной зоне формируется слабонаклонная термотерраса, по поверхности которой в направлении к морю осуществляется транзит талого влагонасыщенного материала, переработанного термоденудационными процессами. Однако темп термоденудации верхнего не может опережать скорость термоабразии в течение длительного времени, поскольку тенденция к выполаживанию берегового склона приводит к накоплению на нем слоя склоновых отложений и затуханию термоденудационных процессов в верхней части берегового склона.

Существенная роль термоабразии  заключается не только в ускоренной переработке берегов, но и в создании обширной термоабразионной подводной платформы, поверхность которой, в условиях активного выноса береговых наносов на взморье, преобразуется в термоабразионно-аккумулятивный уровень. Эта подводная террасовидная поверхность часто прослеживается в море на десятки километров.

Данные, имеющиеся по подводной термоабразионно-аккумулятивной платформе, позволяют сделать вывод о том, что отчетливое проявление криогенных факторов в развитии рельефа на ее поверхности не выражено, либо выражено крайне слабо. Характер профилей верхней границы субаквальных мерзлых пород и поверхности дна не имеют четкой корреляционной связи. На отдельных участках дна, слагаемых наиболее льдонасыщенными толщами, формируются западины и депрессии. Однако скорость донного осадконакопления и активность волновой переработки материала на рассматриваемых мелководьях настолько велики, что подобные отрицательные формы рельефа быстро нивелируются.

На относительно малольдистых берегах криогенные береговые процессы проявляются менее активно, но развиты достаточно широко. В плейстоценовых дисперсных породах, кроме льда-цемента обычно присутствуют текстурообразующие, сегрегационные, повторно-жильные и другие типы подземного льда. В периоды штормовой активности талый присклоновый шлейф размывается морской водой, которая при этом контактирует с мерзлым грунтом, содержащим ископаемый лед. Темп отступания таких берегов составляет 0,1-0,8 м/год. Скорость разрушения скальных береговых уступов достигает 0,05-2, а в случае их криогенной раздробленности - 5-10 см/год.

Для сравнения темпов отступания морских берегов дельт с динамикой эрозионных (термоэрозионных) речных берегов внутри дельты, обычно содержащих подземные льды (объемная льдистость 10-60 %), проведены исследования по оценке интенсивности разрушения берегов проток на 42 участках в центральной и восточной части дельты р. Лены. Оказалось, что темпы разрушения морских и речных берегов сопоставимы. Однако речные берега разрушаются несколько быстрее во время чрезвычайно высокой эрозионной активности р. Лены в половодье. Максимальные скорости размыва берегов в дельте зафиксированы в зоне бифуркации самой полноводной Трофимовской протоки. Средняя скорость отступания берегов на эродируемых участках первой и третьей (ледовый комплекс) террас в дельте р. Лены равна соответственно 3,9 и 2,3 м/год.

На морских берегах наибольшая скорость их разрушения фиксируются на участках распространения ледового комплекса. Максимальные среднемноголетние темпы его отступания отмечаются на северном мысу острова Муостах в море Лаптевых (около 13 м/год) и к западу от мыса Крестовского в Восточно-Сибирском море (около 12 м/год). Скорости разрушения берегов были проанализированы во всех береговых секторах этих морей, а также определены средние многолетние скорости для льдистых и малольдистых берегов, а также для побережья морей в целом (табл. 1).

Таблица 1

Средняя скорость эрозии берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, м/год.

Берега

Море Лаптевых

Восточно-Сибирское море

Не содержащие ледовый комплекс

0,3

0,3

Содержащие ледовый комплекс

1,9

1,6

Все побережье

0,7

1

Средняя скорость для двух морей

0,8

Несмотря  на региональное повышение летней температуры приземного воздуха в изучаемом районе, отчетливого положительного тренда отступания термоабразионно-термоденудационных берегов, в течение последних десятилетий, отмечается далеко не всех наблюдаемых  участках. В районе м. Крестовского (Восточно-Сибирское море) средние скорости термоабразии в 1990-1993 гг. возросли почти в 1,5-2 раза по сравнению с 1952-1972 гг. (Григорьев и др., 2006). Начиная с 2004 года, и особенно в 2007 г., выявлено заметное усиление береговых процессов в море Лаптевых. Это выразилось в массовой активизации склоновых процессов, прежде всего солифлюкции (криосолифлюкции), на прежде стабильных, задернованных берегах и в резком усилении темпов разрушения термоабразионных и термоабразионно-термоденудационных берегов. Скорость их отступания превысила на нескольких ключевых мониторинговых участках среднемноголетние нормы в 1,5-2,5 раза (рис. 6, 7).

Существенное увеличение активности береговых процессов связывается с повышением температуры воздуха, как в Восточно-Сибирском приморском регионе, так и в Арктике в целом. Как следствие, на береговых склонах идет интенсификация солифлюкционных процессов, а также отмечается усиление штормовой активности, в связи с сокращением площади сплоченных льдов в 2005-2007 гг.

Рис. 6. Темп термоабразионно-термоденудационного разрушения  приморских участков ледового комплекса: северо-восточный берег (А) и северный мыс (Б) о-ва Муостах; северо-восточный берег (В) п-ова Быковский (урочище Мамонтовый-Хаята).

В связи с предполагаемым дальнейшим повышением температуры воздуха в Арктике прогнозируется ускорение темпов разрушения берегов. Льдистые берега  занимают более трети протяженности побережья морей Лаптевых и Восточно-Сибирского и отступают на ряде участков от 1 до 10 м/год. Возрастающие скорости их разрушения представляют существенную проблему для местных жителей, промышленных организаций и транспортных структур. На берегах, сложенных дисперсными породами с высоким содержанием подземного льда, расположены населенные пункты, коммуникации, средства навигационного обеспечения морского транспорта и другие объекты. Все эти объекты подвержены опасности разрушения. В последнее десятилетие быстрое отступание береговых уступов, активизация поверхностных криогенных явлений часто приводили к обрушению домов, кладбищ, геодезических знаков, навигационных и других прибрежных объектов.

Рис. 7. Аэрофотоснимок о-ва Муостах (1951 г.) с контуром бровки термоабразионного клифа в 2007 г.

Наступление моря на льдистые берега провоцирует активизацию негативных криогенных процессов и на значительном удалении от берега: катастрофическое развитие термоэрозионных оврагов, термокарстовых и термосуффозионных провалов, криосолифлюкционного разрушения склонов. В силу большого площадного охвата и высокой скорости развития эти процессы могут представлять для техногенных объектов даже большую опасность, чем непосредственное отступание льдистых береговых клифов.

До недавнего времени, из-за недостатка информации, прогнозирование скорости разрушения береговых уступов в этих районах было затруднено. В настоящий период по многим береговых сегментам исследуемых морей уже накоплен достаточный массив данных о многолетних трендах динамики берегов. Это позволяет предсказать, когда береговые сооружения должны быть перемещены вглубь суши или предложить своевременные меры их защиты. Приведенные выше данные убедительно свидетельствуют о необходимости получения надежной и полной информации о современных характеристиках береговых процессов и их прогнозе.

В заключении главы кратко характеризуются общие черты развития криоморфогенеза береговой зоны морей Восточной Сибири в позднем плейстоцене и голоцене, обусловленные в основном глобальными климатическими изменениями и связанными с ними гляциоэвстатическими колебаниями уровня Арктического бассейна.

Анализ рассмотренных выше материалов показывает, что процессы криоморфогенеза формируют на побережье арктических морей весьма специфичные и необычайно динамичные береговые ландшафты. Их основой служат льдистые породы, в том числе ледовый комплекс, имеющий самое широкое развитие именно в рассматриваемом регионе Арктики. Результаты исследований свидетельствуют о доминирующем влиянии криогенных процессов на формирование рельефа береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. На основе проведенных наблюдений и анализа материалов по динамике береговых процессов впервые получены точные данные о средней скорости отступания берегов исследуемых морей. Вышесказанное, с учетом приведенных в главе качественных и количественных данных об особенностях криоморфогенеза исследованного района, позволяет сформулировать следующее защищаемое положение: В силу высокой льдистости многолетнемерзлых пород береговой зоны морей Восточной Сибири, где доля ледового комплекса от длины побережья составляет 37%, процессы криоморфогенеза играют ведущую роль в разрушении их берегов, формируя самые динамичные в Арктике геоморфологические и ландшафтные зоны. Скорость разрушения береговых секторов, содержащих ледовый комплекс, в 5-7 раз выше, чем секторов с малольдистыми толщами. При этом, темп теряемой площади суши этих морей составляет 10,7 км2 в год.

В пятой главе «Литодинамика прибрежно-шельфовой зоны» рассматриваются процессы перемещения и источники наносов в системах континент-шельф и берег-шельф для морей Лаптевых и Восточно-Сибирского.

К основным направлениям литодинамических исследований в изучаемом регионе относятся: 1) изучение динамики наносов на прибрежном и приглубом шельфе и 2) оценка потоков терригенных наносов в прибрежно-шельфовую зону и арктический бассейн. Источниками терригенных наносов являются: а) твердый речной сток (взвешенные наносы); б) вынос влекомого речного обломочного материала; в) вынос материала грунтовыми водами; г) вынос берегового обломочного материала; д) перенос осадков морским льдом; е) вынос материала эоловыми процессами.

Следует подчеркнуть, что, применительно ко всей Арктике, наиболее полно исследован речной твердый сток. Что касается берегового выноса наносов, то в настоящее время имеются обобщенные данные для всего арктическому бассейну, но наиболее детально он изучен в морях Карском (Васильев, 2006), Лаптевых и Восточно-Сибирском (Григорьев, Куницкий, 1997; Grigoriev, Rachold, 2003; Grigoriev et al., 2004; Григорьев, 2004; Григорьев и др., 2006).

Достоверно установлено, что доминирующими источниками терригенного выноса в арктические моря являются речной твердый сток и вынос береговых наносов. В ряде морей преобладает первый источник, в других второй.

Вынос в Северный Ледовитый океан морскими льдами терригенного органического углерода почти на два порядка меньше речного или берегового – 0,134, а в моря Лаптевых и Восточно-Сибирское, соответственно, - 0,087 и 0,019 млн. т/год (Eicken, 2004). Его значение в бюджете терригенных осадков в Арктике находится в пределах погрешностей оценок берегового и речного потоков. Масса выноса органического углерода в виде речного влекомого материала для Арктики в целом оценивается в 0,13, а грунтовыми водами – 2,3  млн. тонн/год (Stein, Macdonald, 2003). Количество эолового материала, поступающего в моря российского сектора Арктики, составляет 1343  -минерального, и 378 тыс. т/год органического вещества (Романкевич, Ветров, 2001). Масса терригенного эолового привноса минерального материала и органического углерода в арктический бассейн, включая антропогенный источник - органическую сажу, оценивается соответственно в 5,7 и 1,72 млн. т/год (в море Лаптевых 0,298 и 0,09, в Восточно-Сибирское море – 0,589 и 0,178) (Shevchenko, Lisitzin, 2004). Масса подземного стока растворенного органического углерода в арктические моря России примерно оценивается в 1,65 млн. тонн в год (Романкевич, Ветров, 2001).

По объемам перемещения наносов в зоне арктических пляжей и подводного берегового склона данных довольно мало. Абразия прибрежного дна Белого, Баренцева и Карского морей оценена О.В. Суздальским (1974) соответственно в 11; 7,7 и 23,6 млн. тонн в год. Обобщенных суммарных оценок абразии подводного берегового склона морей Восточной Сибири пока нет. По некоторым данным масса абрадируемого материала на подводном береговом склоне может быть сопоставима с массой берегового выноса наносов (Каплин, 1971; Каплин и др., 1991; Шуйский, Огородников, 1981; Арчиков и др., 1982; Шуйский, 1983; Арэ, 1985; Are, 1999), но единого мнения по этому вопросу не существует. О.В. Суздальский (1974, 1976), по Белому и Баренцеву морям,  оценивает массу абрадируемого донного материала в 10-20% от берегового абразионного выноса.

Динамика профиля подводного берегового склона (ПБС) морей Лаптевых и Восточно-Сибирского исследована пока недостаточно. Наибольший вклад в ее изучение внесли Ф.Э. Арэ (Арэ, 1980, 1985, 1998; Are et al., 2000, 2001, 2002а, 2002б, 2003, 2008) и Э. Реймнитц (Reimnitz et al., 1994; Reimnitz, Are, 2000). В соотношении темпов преобразования ПБС и динамики берегов изучаемого региона имеется существенная проблема, заключающаяся в парадоксальном, неизменно активном разрушении термоабразионных берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского при ничтожно малых (0,003-0,005) уклонах ПБС. Такое развитие берегов и ПБС в одной прибрежно-шельфовой системе не соответствует классическим представлениям В.П. Зенковича (1962) о существовании предельно малого уклона дна, прекращающего эрозию берегов.

В настоящее время имеются современные обобщающие оценки твердого стока рек морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, включая сток органического углерода. Суммарный твердый сток рек моря Лаптевых составляет 28, 6 и 6,8 млн. т/год взвешенных наносов и органического углерода, а Восточно-Сибирского, соответственно, 25,15 и 1,86 млн. т/год (Holmes et al., 2002; Gordeev, Rachold, 2002; Rachold, Hubberten, 1999).

Береговой поток наносов. Динамика наносов на берегах и их перемещение в пределах литорали и на подводном береговом склоне имеют тесные закономерные связи. Движение материала в этой системе, состоящей из наземной и подводной частей, протекает весьма активно. Оно характеризуется в основном двумя разнонаправленными векторами: продольным (вдольбереговым) и поперечным перемещением осадков. В их продольном перемещении доминирует гравитационная составляющая, увлекающая обломочный материал вглубь моря. Мерзлотно-геологическое строение прибрежно-шельфовой зоны и активное протекание на побережье морей Лаптевых и Восточно-Сибирского криогенных геоморфологических процессов, вносят особую специфику в характер динамики берегов и формирования потоков наносов.

Первые обобщающие исследования, связанные с детальной оценкой выноса в море Лаптевых береговых масс, провел Ф.Э. Арэ (Are, 1999). Изучение процессов термоабразии льдистых и малольдистых берегов в пределах Анабар-Оленекского междуречья, показало, что суммарный поток в море береговых наносов, при их среднем удельном весе равном 1,5 т/м2, на отрезке берега в  85 км составил 3,4 млн. т/год. При этом один километр  льдистых берегов продуцирует в среднем 45 тыс. тонн наносов в год, а малольдистых – 16,5 тыс. тонн /год, то есть почти в три раза меньше. В последние годы появились новые данные о динамике берегов и объемах поступления береговых наносов в моря Восточной Сибири, подкрепленные большим объемом фактического материала (Are et al., 2000; Rachold et al., 2000, 2002; Grigoriev, Rachold, 2003; Grigoriev et al., 2004; Григорьев и др. 2006 и др.). 

Методика расчета береговых литодинамических потоков базируется на определении и соотношении параметров, характеризующих динамику, литологию, мерзлотно-геологическое строение и морфологию берегов в пределах каждого из выделенных, относительно однотипных береговых секторов исследуемых морей. Определение таких параметров как скорость отступания берегов, длина берегового сегмента и высота берегового клифа, достаточно для выполнения расчета объема материала поступающего в море. Имея информацию о макро- и микрольдистости пород, плотности их скелета и весовом содержании в них органического материала, можно рассчитать массу потоков как всего обломочного материала, продуцируемого береговой эрозией, так и вынос органического углерода.

В морях Лаптевых и Восточно-Сибирском, вследствие активного разрушения берегов, в особенности, ледового комплекса, и выноса больших масс тонкодисперсного материала, на значительной части прилегающего шельфа формируются обширные поля суспензионных масс, видимые из космоса (рис. 8).

Рис. 8. Суспензионный шлейф осадков из береговой зоны Восточно-Сибирского моря, формирующийся в результате разрушения ледового комплекса, 24 августа 2000 г. (источник космического снимка: http//www.visibleearth.nasa.gov).

В разных арктических морях существуют резкие отличия в речном и береговом твердых потоках с суши. В ряде морей доминирует речной вынос. Например, при сравнении морей Лаптевых и Бофорта обнаруживаются более, чем 20-ти кратное, различие в соотношении речного и берегового материала, выносимого на шельф (табл. 2).

Таблица 2

Соотношение масс твердого стока рек и потока наносов из берегов моря Лаптевых и Канадского сектора моря Бофорта (1Gordeev, Rachold, 2004; 2MacDonald et al. 1998; 3Hill et al. 1991; 4Grigoriev et al., 2004; Григорьев и др., 2006).

       Источники наносов

Море Лаптевых

Канадский сектор моря Бофорта

Твердый сток рек, млн. тонн/год

28,61

64,452

Поток наносов из эрозионных берегов, млн. тонн/год

62,24

5,63

Масса наносов из эрозионных берегов, млн. тонн/год на 1 км берега

0,008

0,0053

Соотношение речного и берегового материала, выносимого на шельф

0,45

11,5

       

В отношении морей Лаптевых (табл. 3) и Восточно-Сибирского (табл. 4) автором количественно определены некоторые мерзлотно-геоморфологические и литодинамические параметры для трех основных типов берегов. С учетом новых данных по арктическим морям, оценены соотношения их твердого берегового выноса с твердым стоком арктических рек (табл. 5). Суммарный вынос берегового материала в моря Лаптевых и Восточно-Сибирского составляет 152,4 млн. тонн/год - больше, чем береговой поток наносов всех других арктических морей. Масса органического углерода, привносимая в эти моря, составляет около 4 млн. тонн/год, в два с лишним раз больше, чем его суммарный береговой сток из остальной части Арктики. Восточно-Сибирское море является единственным из арктических морей, чья масса берегового выноса органического углерода превышает вынос его реками. Анализ данных по выносу береговому материала в моря Лаптевых и Восточно-Сибирское позволяет сформулировать следующее защищаемое положение: Разрушаемые берега морей Восточной Сибири  продуцируют наибольшее количество берегового обломочного материала (152 млн. тонн/год) и органического углерода (4 млн. тонн/год), поступающих в арктический бассейн и превышающих суммарный береговой вынос всех остальных арктических морей (по обломочному материалу 55%, по органическому углероду 69%). Масса обломочного материала, поступающего из берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, почти в три раза превосходит региональный твердый сток рек.

Таблица 3

Мерзлотно-геоморфологические и литодинамические параметры для основных типов побережья моря Лаптевых (Grigoriev, Rachold, 2003).

Береговые мерзлотно-геоморфологические и литодинамические параметры

Берега, сложенные ледовым комплексом (включая термокарстовый комплекс)

Берега, сложенные малольдистыми плейстоцен-голоценовыми отложениями

Берега, сложенные скальными и другими, условно не льдистыми, породами

Общая длина берегов (км)

1900

3300

2400

Средняя скорость отступания берега (м/год)

2,1

0,9

0,05

Средняя объемная льдистость пород (%)

44

14

2,2

Средняя абсолютная высота береговых уступов (м)

14

4,4

24

Среднее весовое содержание общего органического углерода (%)

3,8

1,5

0,35

Масса наносов, выносимых на шельф из разрушающихся берегов (106 т/год)

44,7

11,3

6,1

Масса органического углерода, выносимого на шельф из разрушающихся берегов (106 т/год)

1,5

0,1

0,03

Роль криоморфогенеза в формировании твердого берегового потока морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. На основе сегментации побережья и анализа материалов базы данных автором были определены массы обломочного материала и органического углерода, уходящие в море в результате разрушения береговых сегментов, включающих ледовый комплекс (табл. 6). В пределах ледового комплекса криоморфогенез почти полностью определяет скорости протекания деструктивных береговых процессов и объемы материала, поступающего в море.

Таблица 4

Мерзлотно-геоморфологические и литодинамические параметры для основных типов побережья Восточно-Сибирского моря (Grigoriev, Rachold, 2003).

Береговые мерзлотно-геоморфологические и литодинамические параметры

Берега, сложенные ледовым комплексом (включая термокарстовый комплекс)

Берега, сложенные малольдистыми плейстоцен-голоценовыми отложениями

Берега, сложенные скальными и другими, условно не льдистыми, породами

Общая длина берегов (км)

3200

1850

900

Средняя скорость отступания берега (м/год)

1,8

0,4

0,09

Средняя объемная льдистость пород (%)

35,2

11

4,1

Средняя абсолютная высота береговых уступов (м)

15,4

5

20

Среднее весовое содержание общего органического углерода (%)

2,8

0,8

0,2

Масса наносов, выносимых на шельф из разрушающихся берегов (106 т/год)

80,2

5,7

4,3

Масса органического углерода, выносимого на шельф из разрушающихся берегов (106 т/год)

2,3

0,04

0,02

Таблица 5

Количественная оценка потоков наносов и органического углерода в Арктический бассейн в результате береговой эрозии и твердого стока рек (Суздальский, 1974; 2Васильев, 2006; 3Органическое вещество, 1990; 4Macdonald et al. 1998; Reimnitz et al., 1988; Naidu, 1985; 5Gordeev et al., 1996, 2000; 6Gordeev, Rachold, 2004; 7Романкевич, Ветров, 2001; 8Grigoriev et al., 2004a; Григорьев и др., 2006; 9Grigoriev et al., 2004b ).

Арктические моря

Поток наносов из берегов

(106 т/год)

Твердый сток рек (106 т/год)

Поток органического углерода из берегов

(106 т/год)

Вынос органического углерода реками

(106 т/год)

Белое море

601 (в суммарном потоке наносов не учитываются)

17,95

(для двух морей)

0,37

6,356

(для двух морей)

Баренцево море

591

0,593

Карское море

27,72

30,95

0,42

10,66

Море Лаптевых

62,28

28,65

1,638

6,86

Восточно-Сибирское море

90,28

25,155

2,398

1,866

Чукотское море (российский сектор)

14,09

0,76

0,29

0,136

Чукотское

море (сектор США)

14,09

125,16 (для двух морей)

0,29

4,36 (для двух морей)

Море Бофорта

7,94

0,094

Всего

276

227,65

5,8

30,04

Таблица 6. 

Соотношения длины береговых линий и параметров выноса материала из из льдистых и малольдистых берегов морей Лаптевых и Восточно-Сибирского.

Моря

Длина береговой линии, км

Доля длины береговых сегментов ЛК в длине берегов всего моря (морей), %

Обломочный материал, млн. тонн/год

Органический углерод, млн. тонн/год

Лаптевых

7 514

62,2

1,63

Лаптевых (только ледовый комплекс - ЛК)

1 776

24%

44,7 (72%)

1,5 (92%)

Восточно-Сибирское

5 989

92,2

2,4

Восточно-Сибирское (ЛК)

3 258

54%

70 (78%)

2,3 (98%)

Для двух морей

13 503

152,4

4,02

Для двух морей (ЛК)

5 034

37%

114,7 (74%)

3,83 (95%)

Все моря Арктики

276

5,8

Доля выноса материала из морей Лаптевых и Восточно-Сибирского во всем арктическом береговом твердом потоке

55%

69%

Доля ледового комплекса двух морей в береговом потоке Арктики

42%

66%

В целом по арктическому бассейну, масса органического углерода, поставляемая реками, почти в 5 раз больше массы его потока из берегов. Береговой вынос обломочного материала в Арктике хоть и сопоставим с твердым стоком рек, но существенно его превышает.

Таким образом, в море Лаптевых из общей массы ежегодно эродируемых толщ (62,2 млн. тонн), 44,7 млн. тонн (72 %) приходится на береговые секции, содержащие ледовый комплекс. Доля органического углерода из ледового комплекса - 1,5 из 1,63 млн. тонн (92 %). Для Восточно-Сибирского моря - общий годовой вынос берегового обломочного материала – 90,2 млн. тонн, а из секций с ледовым комплексом – 70 млн. тонн, или 78 % от всего потока наносов. Доля ледового комплекса в выносе органического углерода здесь почти стопроцентная – 2,3 из 2,4 млн. тонн (98 %). Ледовый комплекс двух морей «ответственен» за 114,7 (75 %) из 152,4 млн. тонн обломочного материала и за 3,83 углерода (95 %) из 4,02 млн. тонн органического углерода. Около 3/4 всей массы осадков, поступающей в эти моря вследствие разрушения берегов, продуцируется из ледового комплекса. Активное проявление криогенных береговых процессов – главная причина столь значительного выноса осадков. Ледовый комплекс морских берегов Восточной Сибири дает более 40 % всего твердого стока  и почти 2/3 всего стока органического углерода, поступающего от прибрежной суши в Северный Ледовитый океан. Анализ потоков наносов из льдистых берегов исследуемых морей позволяет сформулировать следующее защищаемое положение: Ледовый комплекс побережий морей Восточной Сибири является важнейшим источником берегового потока наносов, как в эти моря, так и в арктический бассейн, в целом. Его доля в потоке наносов из берегов всех арктических морей - 42%, а по органическому выносу 66%. Ведущим экзогенным фактором, определяющим объемы этих потоков, является криоморфогенез.

Расчеты показывают, что в азиатском секторе России, как и во всем арктическом регионе, береговой вынос наносов почти вдвое превышает твердый речной сток, хотя значительно уступает речному выносу в отношении органического углерода. Лишь в районе Восточно-Сибирского моря береговой вклад органического углерода превышает речной. Такие источники обломочного материала и органического вещества, как эоловый и ледовый вынос, грунтовые воды и влекомый речной материал, значительно меньше речного твердого стока и берегового потоков наносов, как в Северный Ледовитый океан, так и в моря Лаптевых и Восточно-Сибирское.

Проведена оценка баланса масс, поступающих с континента и осаждающихся на шельфе моря Лаптевых в течение последних 5 000 лет (Rachold, Grigoriev, Bauch, 2001). Последний цикл морской трансгрессии закончился примерно 5000 лет назад. Отступание берегов с тех пор продолжалось уже не в связи с подъемом морских вод, а лишь в результате береговой эрозии. Данные о массах выноса терригенного обломочного материала из основных источников – берега и твердый речной сток сравнивались нами с  материалами по фактической аккумуляции осадков в пределах шельфа, с учетом донного импорта наносов и привноса осадков морским льдом. Рассматривался баланс осадков трех секторов моря Лаптевых – западного, центрального и восточного. Для выяснения объемов позднеголоценовой аккумуляции в этих секторах использовались  материалы по буровым кернам, полученным в соответствующих секторах шельфа моря Лаптевых, в ходе совместных Российско-германских экспедиций «Система моря Лаптевых», (керны PM-9499, PS 51/092-12 и PM 9462). Анализ масс осадков, поступающих с суши, и аккумулирующихся на шельфе показал, что величины этих масс несколько отличаются, но в целом они сопоставимы (разница не превышает 15 %). Так, за последние 5000 лет в западный сектор моря Лаптевых поступило 0,66•1011 тонн наносов, в его центральный сектор – 1,63•1011, а в восточный сектор - 1,81•1011 тонн наносов. При этом аккумуляция в указанных секторах составила соответственно 0,71•1011, 1,84•1011  и 2,05•1011 тонн  осадков.

Исследования процессов разрушения берегов внутри дельты р. Лены показали, что они дают весьма большой объем наносов, частично поступающих в море Лаптевых. К сожалению, определить, как много этих наносов поступает в море, а какая их часть переотлагается в дельте, невозможно из-за отсутствия гидрологических данных по твердому стоку в устьях проток. Масса потоков наносов из береговых сегментов, относящихся к первой и третьей (ледовый комплекс) террасам, рассчитывалась по тому же методу, что и вынос материала из морских берегов. Береговые исследования в дельте р. Лены проведены автором в 2000-2006 годах на 42-х ключевых участках (табл. 7).

Таблица 7

Масса отложений, поступающих из эрозионных берегов дельты р. Лены в протоки (по 42-м ключевым участкам).

Геоморфоло-гическое положение и состав отложений

Кол-во ключевых участков

Средняя скорость эрозии берега, м/год

Длина береговых секций, км

Средняя высота клифа, м

Средняя объемная льдистость,%

Средняя плотность скелета грунта, г/см3 (т/м3)

Масса наносов из берегов, т/год

Первая терраса, песок, супесь, суглинок, торф, ПЖЛ

34

3,9

60

6

20

1,6

1 797 120

Третья терраса, ледовый комплекс и озерно-термо-карстовые отложения

8

2,3

12,6

18

55

1,4

352 000

Масса береговых отложений, поступающих в протоки по 42-м участкам

2 149 120

Выяснилось, что из берегов, общей длиной всего 76,6 км, в протоки уходит более 2-х млн. тонн наносов в год (Grigoriev, 2003, 2007; Grigoriev, Schneider, 2002). Учитывая большую протяженность таких берегов (оценочно, не менее 1 000 км), возможно, что все эродируемые берега дельты продуцируют массу наносов, сопоставимую с береговым выносом материала всего моря Лаптевых. Вероятно, что большая часть берегового потока наносов остается в дельте и отлагается на ее устьевом взморье в пределах обширного подводного авандельтового конуса выноса. Следует подчеркнуть, что в пределах дельты р. Лены криогенные геоморфологические процессы так же играют основную роль в разрушении ее берегов, насыщенных подземными льдами, и формировании внутридельтовых потоков наносов. В дельте, из ряда криогенных процессов, наиболее высокие скорости принадлежат термоэрозионному разрушению берегов.

Основные прикладные аспекты изучения литодинамических процессов в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского сводятся к следующему:

1. Береговые потоки наносов являются наиболее мощными в Арктике и выносят на мелководный прибрежный шельф десятки миллионов тонн осадков в год, которые в значительной степени остаются в прибрежно-шельфовой зоне. Они переносятся вдольбереговыми потоками наносов, частично выводятся волновыми процессами на литораль, а часть их уносится вглубь моря. В связи с этим, в мелководной зоне существенно меняются глубины и часто перестраивается фарватер (например, фарватер судов «река-море» у Быковского п-ова перестраивается ежегодно). Информация о процессах и темпах поступления берегового материала необходима гидрографическим службам для корректировки батиметрических материалов навигационного обеспечения судоходства.

2. Береговая база данных позволяет использовать информацию о потерях береговых масс по всем типовым береговым секторам производственным, проектным и научным организациям. Дифференцированные по участкам данные о массе наносов могут быть полезны для расчетов и оценок различных минеральных и химических веществ, поступающих в море с континента.

3. Ожидается, что отмечающиеся в Арктике потепление климата и сокращение площади паковых льдов должны привести к активизации штормовых условий, увеличению мощности сезонно-талого слоя (СТС) и ускорению отступания берегов. Это увеличит поступление из берегов на шельф терригенных наносов, включая органический углерод, являющегося дополнительным источником парниковых газов. Проблема, связанная с дополнительными источниками таких газов, сейчас весьма актуальна. Установлено, что наибольшие концентрации растворенного СО2 в пределах СЛО имеют место именно в шельфовых водах морей Лаптевых и Восточно-Сибирского (Semiletov et al., 2002). Это объясняется, в частности, выносом из берегов этих морей большого объема органического углерода.

В главе 6 «Распространение и эволюция субаквальных многолетнемерзлых пород на подводном береговом склоне» анализируются данные о строении верхних горизонтов СММП и протекающих в них процессах.

Океаническая криолитозона в Северном полушарии занимает около 13 млн. км2 (Жигарев, 1997) и является очень мало исследованным явлением. По ряду моделей, мощность субаквальных мерзлых пород в исследуемых морях достигает 250-600 м (Romanovskii et al., 2005). По расчетам З.Н.Антипиной и др. (1978), деградация СММП мощностью около 600 м, в зависимости от разных граничных условий, может длиться от 5 до 100 и более тысяч лет. Фактических буровых данных на приглубом шельфе и севернее пока не получено. Основная часть океанической криолитозоны представлена отрицательно-температурными донными породами. Несомненно, что на некоторой площади шельфа распространены субаквальные многолетнемерзлые породы. Каковы их мощность, строение и площадь распространения, – неизвестно. Неизвестно, существуют ли мерзлые породы в относительно глубоководной части шельфа арктических морей и даже вблизи отдельных типов побережья.

Логично предположить, что континентальная мерзлота, погруженная под море в результате последней морской трансгрессии, может довольно  далеко уходить в море. Прежде всего, это зависит от уклонов кровли и подошвы СММП. Получая тепло сверху (море) и снизу (внутриземные тепловые потоки), и в соответствие с длительностью пребывания в условиях, исключающих регулярное охлаждение, мерзлая толща в вертикальном разрезе, по-видимому, должна выглядеть в виде протяженного клина, сужающегося на север.

В относительно глубоководной части шельфа восточно-арктических морей Азии донные скважины практически не бурились за исключением двух неглубоких профилей в восточном секторе моря Лаптевых. Они пробурены в 2000 г. с бурового судна «Кимберлит» в ходе российско-германской экспедиции «ТрансДрифт VIII» по межправительственному проекту «Система моря Лаптевых» (Kassens et al, 2000, 2001; Drachev et al., 2002). В керне нескольких скважин были обнаружены мерзлые породы с кристаллами пресного льда. К сожалению, аналитические материалы по этим работам до сих пор не опубликованы. Данные геофизического зондирования шельфа моря Лаптевых показывают, что на различных глубинах под морским дном и на значительной площади шельфа имеются границы-рефлекторы, похожие по морфологии и геофизическим свойствам на кровлю СММП (Rachor, 1999; Schwenk et al., 2005; Рекант и др., 1999, 2001; Rekant, 2002; Drachev et al., 2002 и др.).

Достоверные сведения о субаквальной мерзлоте имеются лишь по ограниченному числу относительно неглубоких (10-80 м) буровых профилей, вскрывших мерзлые породы под дном морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Имеется ряд публикаций с данными бурения на прибрежном шельфе, вскрывшего подводную мерзлоту (Пономарев, 1950; Н. Григорьев, 1966, 1987; Молочушкин, Гаврильев, 1970; Катасонов, Пудов, 1972; Жигарев, 1977; Жигарев, Плахт, 1977; Фартышев, 1978, 1993; 1978; Соловьев, 1981; Куницкий, 1986; Григорьев, 1993, Григорьев, Куницкий, 2000; Kassens., 2000; Drachev et al., 2002 и другие). Тем не менее, закономерности развития, характер эволюции и распространения СММП на шельфе изучены в крайне ограниченном объеме.

Надежные буровые данные получены лишь в пределах относительно мелководных участков шельфа вблизи континента и островов. Анализ эволюции СММП в настоящей работе основывается именно на этих материалах. Буровые данные показывают, что практически во всех случаях кровля субаквальных мерзлых пород медленно или с резкими перегибами погружается с увеличением глубин моря. Динамика кровли СММП обычно связана с темпами отступания берегов, поскольку континентальная мерзлота здесь переходит в подводное положение и темп ее тепловой деградации является функцией времени. Наиболее часто СММП обнаруживается на участках прибрежного шельфа, прилегающих к льдистым, активно отступающим, так называемым, термоабразионно-термоденудационным берегам.

На базе собственных и опубликованных данных о строении подводного берегового склона, его геокриологического и литологического строения, особенностей морфологии и гидро-литодинамики прибрежной зоны, автором был проведен анализ основных параметров развития и распространения субаквальной мерзлоты в пределах мелководного шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Основной целью исследований было выяснение закономерностей, присущих трансформации мерзлоты под морем, в частности деградации кровли СММП. Наибольшее внимание уделялось самым распространенным – реликтовым мерзлым породам, сформированным в субаэральных условиях и перешедших в подводное положение в результате трансгрессии моря и эрозии берегов.

Новообразованные мерзлые породы, формирующиеся на мелководье, распространяются в основном в пределах устьевого взморья на участках выдвижения речных дельт, а также в полузамкнутых заливах, где преобладает аккумуляция терригенного материала. Наибольшее количество фактического материала, полученного по этому типу подводной мерзлоты в морях Восточной Сибири, принадлежит Н.Ф. Григорьеву (1966).

Новообразованные ММП имеют самые пологие уклоны (от суши в море) своей кровли, составляющие от 0,0002 до 0,003. Очевидно, что развитие этих новообразованных толщ ММП и морфологию их кровли определяют объемы твердого речного стока, а также скорости осадконакопления и активность размыва морского края авандельт. В случае, если аккумуляция опережает размыв, подводные и надводные части дельт выдвигаются в море в виде нарастающих баров, сингенетически промерзающих в условиях осадконакопления. При этом в прибрежной зоне растут мощность и площадь

распространения новообразованных толщ ММП и СММП.

Один из первых буровых профилей, вскрывших реликтовые СММП, был задан В.М. Пономаревым (1950) в бухте Кожевникова в западной части моря Лаптевых. Следует подчеркнуть, что в одной из скважин им было обнаружено чередование мерзлых и влагонасыщенных горизонтов с криопэгами. По морям Восточной Сибири опубликованы данные по 30 буровым профилям, вскрывшим реликтовые СММП. Все эти материалы анализируются в главе 6. В частности, рассматриваются профили, пробуренные нами в центральном и западном секторах моря Лаптевых (рис. 9).

Рис. 9. Буровые профили у северного мыса о-ва Муостах (вверху) и у урочища Мамонтовый-Хаята Быковского п-ова (внизу), вскрывшие СММП. Центральный сектор моря Лаптевых.

В целом, соотношение уклонов поверхности субаквальной мерзлоты (0,007 у о-ва Муостах и 0,013 у Быковского п-ова) в сторону моря соответствуют соотношению темпов отступания термоабразионных береговых уступов на этих двух участках (13 и 3 м/год).

В 2003-м году пробурен меридиональный профиль в западном секторе моря Лаптевых в районе мыса Мамонтов Клык (рис. 10). Уклон СММП на этом профиле от берега до 1,3 км в море достаточно крутой (0,015), а на участке от 1,3 до 1,4 км – экстремально крутой (более 0,3). Эта аномалию можно объяснить развитием древнего (200-300 лет назад) термокарстового озера с подозерным таликом, погруженного под наступающее море. Расчеты показывают, что средний темп проседания кровли подводной реликтовой мерзлоты на этом участке прибрежного шельфа составляет около 8 см/год. Следует отметить, что параметры придонного слоя воды в этом районе, в отношении  температуры (более низкая) и солености (более высокая),  резко отличаются от его параметров на большинстве участков прибрежного шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского.

Другой буровой профиль в том же районе, с применением более мощной буровой техники, был пробурен в 2005 г. (рис. 11). Мерзлые породы в здесь представлены преимущественно реликтовыми континентальными плейстоценовыми отложениями, за исключением нижних горизонтов скважины С-2. Подошва ледового комплекса в этом районе, как правило, расположена ниже уровня моря и подстилается преимущественно песчаными отложениями с ледово-песчаными жилами, органическими остатками, суглинисто-супесчаными и глинистыми прослоями, а также с включениями дресвы и гравия.

Рис. 10. Буровой профиль в западном секторе моря Лаптевых у мыса Мамонтов Клык, вскрывший подводную мерзлоту с крутым падением кровли (2003 г.).

Рис. 11. Буровой профиль экспедиции «Южный берег моря Лаптевых» вблизи мыса Мамонтов Клык в западном секторе моря Лаптевых, побережье Анабар-Оленекского междуречья (2005 г.).

Аналитические исследования, проведенные для определения генетических и возрастных характеристик вскрытых осадков, показали, что в основании переработанных и протаявших под морем отложений лежат  позднеплейстоценовые породы. Верхнюю их часть занимает ледовый комплекс (в прибрежной части профиля), перекрывающий перигляциальный аллювий, с датировками 59,3±5,8 (RLOG 1729-026)  и 86,2±5,9 (RLOG 1728-026) тыс. лет (Большиянов и др., 2007), который, в свою очередь подстилается морскими осадками. Как показал анализ этих засоленных осадков в нижних горизонтах скважины С-2, их возраст составляет 111,1±7,5 тыс. лет (RLOG 1727-026). Распределение солей в керне скважин свидетельствует о том, что морское засоление сверху проникает до глубины 30 м, на 24 м ниже дна (рис. 12). Температура пород по разрезу самой глубокой скважины С-2, удаленной от берега на 12 км, оказалась почти безградиентной, с некоторым повышением в нижней части до -1 °С,  (экстремально «теплая» для СММП). Начиная с глубины 65 м, где встретились первые прослои пластично-мерзлых глин, в обсаженную буровую колонну снизу стала поступать вода. Ниже снова залегали сцементированные ММП (песчано-суглинистые слои) со слоями мокро-морозных (по Н.И. Толстихину, 1974) пород.

Рис. 12.  Распределение солей и температурный режим в морских скважинах бурового профиля «Мамонтов Клык».

Довольно сложно предположить, что исследуемая толща СММП деградировала здесь снизу почти полностью за 2,5 тысячи лет (при мощности ММП в береговой зоне этого региона 500-700 м). Вероятно, в нижней части разреза имеют место сложная гидрогеологическая обстановка, обусловленная миграцией криопэгов.

В ходе бурения профиля проводилось изучение состава придонного слоя осадков, лежащих под припайным льдом. При проходке морского льда мелкими скважинами скважинное пространство оставалось сухим. Через 8-12 часов на дне мелких скважин начинала появляться вода желто-коричневого цвета, уровень которой в ледовой скважине вскоре устанавливался на расстоянии 20-35 см выше дна. Изучение этого явления показало, что соленость воды составляет от 100 до 124 ‰, при температуре -7 - -9 °С (рис. 13).

Рис. 13. Схема развития сезонных напорных криопэгов под припайным льдом в районе профиля «Мамонтов Клык».

Выяснилось, что криопэги сосредоточены в слое неконсолидированных отложений, мощностью около метра, находящемся между кровлей СММП (в данном случае они залегают на породах ледового комплекса) и горизонтом донных осадков примерно такой же мощности, промороженных через лед. Отжимаясь вниз при зимнем промерзании самого верхнего слоя донных осадков через морской лед, они концентрируются у поверхности многолетнемерзлых пород в условиях повышенного давления в замкнутом или полузамкнутом пространстве. Судя по наличию избыточного давления, криопэги не имеют контакта с морскими водами или же такой контакт затруднен. После того как ледовый покров был разбурен напорные криопэги  «проедают» вышележащий сезонно-мерзлый слой и выходят в пределах ледовой скважины на некоторый уровень над поверхностью дна. Существование в зоне припайных льдов криопэгов, ранее неоднократно встречавшихся нами и другими исследователями на прибрежном шельфе, и, по-видимому, очень широко распространенных, вносит вопрос об их влиянии на темпы деградации верхних горизонтов подводной мерзлоты, расположенной в зоне припайных льдов.

Расчет показывает, что скорости деградации слоя СММП сверху неодинаковы в разных частях подводного берегового склона (табл. 8).

Таблица 8

Средняя скорость понижения верхней границы ММП, погруженных под уровень моря (за весь период субаквального растепления)

Расстояние от уреза моря, м (L)

Средняя скорость отступания берега, м/год (VО)

Время вступления данного участка в контакт с морскими водами, годы (Т) =  L/ VО

Абсолютная высота кровли СММП, м (Н)

Средняя скорость деградации СММП сверху, м/год (VД) = Н/Т

Средняя скорость деградации СММП сверху, между соседними скважинами, м/год


Профиль 1: Подводный береговой склон, прилегающий к северному мысу о-ва Муостах

65

13

5,0

-1,0

0,2

0,3 max

100

13

7,7

-1,8

0,23 max

0,14

200

13

15,4

-2,9

0,19

0,18

300

13

23,1

-4,3

0,186

0,09

400

13

30,1

-4,9

0,16

-0,58 (инверсия)

420

13

32,3

-4,0

0,12

0,62 (инверсия)

500

13

38,5

-7,9

0,21

-0.27 (инверсия)

600

13

46,15

-5,8

0,13

0,15

850

13

65,4

-8,6

0,13

0,074

2500

13

192,3

-18,0

0,09


Средняя скорость понижения кровли СММП:

0,165

0,15 (исключая инверсии)


Профиль 2: Подводный береговой склон, прилегающий к северо-восточному побережью Быковского п-ова (урочище Мамонтовый-Хаята)

150

3

50

-3,5

0,07

0,05

300

3

100

-6,0

0,06

0,055

420

3

140

-8,8

0,06

0,03

850

3

283

-12,8

0,045

0,045

3000

3

1000

-45

0,015


Средняя скорость понижения кровли СММП:

0,05

0,045


Профиль 3: Подводный береговой склон, прилегающий к берегу в районе мыса Мамонтов Клык, профиль 2003 г.

400

5,8

69,0

-3,6

0,05

0,065

600

5,8

103,4

-5,85

0,06

0,07

1000

5,8

172,4

-10,5

0,06

0,13

1300

5.8

224,1

-17,2

0,08


Средняя скорость понижения кровли СММП:

0,06

0,09


Профиль 4: Подводный береговой склон, прилегающий к берегу в районе мыса Мамонтов Клык, профиль 2005 г.

500

4,5

111,1

-2,8

0,025

0,09

1000

4,5

222,2

-3,9

0,018

0,018

3000

4,5

666,7

-12,0

0,018

0,012 min

11500

4,5

2 555,6

-35,5

0,014 min


Средняя скорость понижения кровли СММП:

0,019

0,04


Средняя скорость понижения кровли СММП по 4-м профилям:

0,074

0,08

В пределах подводного берегового склона, прилегающего к льдистым берегам, средний темп понижения кровли СММП (за весь период растепления) составляет от 1 до 30 см в год, при значительном падении скорости деградации подводной мерзлоты на его нижней границе.

Выявлены достаточно четкие корреляционные связи, определяющие зависимость морфологии или уклона кровли СММП от типа побережья и  его динамической активности (рис. 14).

Рис. 14. Положение кровли СММП по ключевым буровым профилям в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Указан номер профиля и ссылка на литературный источник: 1-2 – Григорьев, 1993; 3 – Grigoriev, 2004; 4, 5 – Фартышев, 1993; 6 – Иванов, 1969; 7 – Пономарев, 1950; 8, 9 – Н. Григорьев, 1966; 10 – Телепнев, 1981; 11-12 - Фартышев, 1993; 13 – Григорьев, 2006; 14 – Н. Григорьев, 1966; 15 – Григорьев, Разумов, 2005.

Быстрое отступание берегов приводит к образованию пологого уклона кровли СММП. Наиболее пологие профили кровли СММП фиксируются в областях интенсивной аккумуляции материала, обычно вблизи мелководных дельтовых побережий и в пределах мелководных аккумулятивных заливов, где формируются новообразованные СММП, развивающиеся за счет постоянного накопления наносов и их промерзания через морской лед. Анализ  показывает, что в первой стадии контакта с морскими водами, темп деградации кровли СММП в прибрежной зоне варьирует от 1 до 10-25 см в год, в зависимости от скорости отступания берега, гидрологических, климатических и других параметров, при уклоне этой кровли в сторону моря равной 0.002-0.035. Весьма крутые уклоны кровли СММП (0,035) фиксируются у стабильных берегов, сложенных плейстоценовыми и голоценовыми отложениями (Ванькина губа и др.). Уклоны кровли подводной мерзлоты вблизи льдистых берегов в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском отличаются наибольшей пологостью. Особенности развития прибрежных СММП также зависят от конфигурации береговой линии и степени открытости к морскому влиянию. Как правило, прибрежные участки, расположенные в условиях большей морской открытости,  характеризуются более крутыми уклонами кровли СММП.

Реликтовые озерные талики, оказавшиеся погруженными под море, зачастую нарушают относительно выдержанное простирание кровли СММП, создавая в подводном  мерзлом массиве  крупные замкнутые в плане «талые» депрессии. Необходимо подчеркнуть, что просадки льдонасыщенных грунтов при оттаивании не имеют существенного значения в развитии подводного рельефа. Казалось бы, оттаивание 10-20-метрового слоя таких пород в нескольких километрах от берега должно вызвать не менее чем 5-10-метровое понижение уровня дна. Однако поверхность дна формируется главным образом абразионно-аккумулятивными процессами, которые способствуют сохранению мелководности подводного склона.

Температура и соленость придонного слоя воды имеет существенное значение в темпах деградации верхних горизонтов СММП. Измерения температуры в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском проводились нами в 1999-2005 гг. на 25 шельфовых участках (Are et. al., 2000; Grigoriev et al., 2001; Grigoriev et al., 2002; Razumov, Grigoriev, 2003). В арктических морях и, особенно, на их мелководном шельфе температура дна зависит от глубины моря. После освобождения поверхности моря ото льда температура воды быстро повышается и в июле - августе достигает максимума, а затем также быстро понижается до минимальных значений. От уреза до глубин 2-3 м температура придонного слоя воды характеризуется относительно высокими значениями. Это связано главным образом с интенсивным прогревом на мелководье и ветровым перемешиванием водного слоя, которое, при сильных ветрах, обусловливает распространение положительной температуры воды в южных частях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского на глубину до 20 м и более (Суховей, 1986).На мелководье с ростом глубины температура придонной воды быстро понижается с 9.5-10 до 2-3.5C. С изобат 5-6 м отмечается более медленное понижение температуры, которая на глубинах 15-18 м часто переходит через 0С. Положительная среднегодовая температура придонного слоя воды, в интервале глубин 2-6 м, обусловливает интенсивное протаивание мерзлых пород. По расчетам Н.Ф. Григорьева (1987), скорость многолетнего протаивания мерзлых пород при глубине моря 3-4 м и летних температурах дна 4-6С, составляет около 10 см в год.

Имеющиеся к настоящему времени фактические данные показывают, что отрицательная температура в придонном слое воды - очень частое явление в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском даже в той части, которая прилегает к побережью, причем как в зимний, так и летний периоды. Этот факт важен для представления о развитии возможных сценариев деградации СММП на прибрежном шельфе.

Изучение субаквальных многолетнемерзлых пород арктических морей Восточной Сибири имеет фундаментальное научное значение, поскольку вопросы эволюции, геологической и географической истории в отношении этого образования до сих пор не имеют однозначных ответов. Знание особенностей распространения и динамики СММП необходимо и в практических целях. Так, контроль изменения глубин, важнейшего навигационного параметра, с учетом влияния процессов деградации СММП, имеет существенное значение для морского транспорта и гидрографических предприятий. Знание мерзлотно-геологических условий дна арктических морей важно в случае начала освоения углеводородных и других ресурсов шельфа. В частности, информация о распространении СММП, их свойствах и динамике преобразования необходимы в связи с разработкой проектов и расчетами инженерно-геологических характеристик грунтов, как оснований для любых видов сооружений и коммуникаций на шельфе. Изучение СММП важно так же для поиска месторождений газогидратов на шельфе. Подводная мерзлота может быть хранителем такого сырья.

Таким образом, результаты экспедиционных и аналитических исследований, приведенные в этой главе, позволяют сделать следующие основные выводы: 1) подводная реликтовая мерзлота существует на большей части подводного склона в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского; 2) новообразованные субаквальные мерзлые породы формируются в пределах мелководий авандельт и в мелководных заливах, где доминируют процессы аккумуляции осадков при глубинах воды менее 2,5 м; 3) средние уклоны кровли СММП (0,011) в прибрежно-шельфовой зоне моря Лаптевых варьируют в широких пределах (0,0002-0,1); 4) на мелководье темп деградации кровли СММП на разных типах подводного берегового склона составляет от первых сантиметров до 30 см, а на его нижней границе снижается до первых миллиметров в год; 5) одним из важнейших факторов, влияющих на уклон кровли СММП, является темп эрозионного (термоабразионного) разрушения берегов; 6) особенности эволюции верхних горизонтов СММП зависят от ряда осредненных постоянных факторов: температурного режима и солености придонного слоя воды, темпов отступания или выдвижения берегов, активности денудационных процессов криоморфогенеза в береговой зоне, объемов береговых потоков наносов, уклонов морского дна, морфологии береговой зоны и конфигурации береговой линии, степени открытости к морскому влиянию, литологического состава пород, слагающих берег и подводный береговой склон, льдистости отложений в береговой зоне и в пределах подводного берегового склона и гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне шельфа.

В морфологии мезорельефа кровли СММП криоморфогенез проявляется достаточно отчетливо. Этот процесс так же участвует в преобразовании морфологии реликтовых таликовых форм, оказавшихся, в ходе отступания суши, в субаквальных условиях и в развитии неровностей кровли в результате избирательного протаивания верхних горизонтов СММП. В мелководной прибрежной зоне деградация кровли ММП, недавно перешедших в субаквальное положение, идет активнее, в связи с близостью к поверхности дна и более интенсивной гидродинамической и тепловой переработкой. Анализ материалов позволяет утверждать, что темпы отступания берегов определяют уклон кровли СММП в сторону моря в большей степени, чем все другие природные факторы. Крутизна уклона поверхности подводной мерзлоты, это, прежде всего, функция времени нахождения ММП в подводном состоянии.

Результаты исследований, изложенные в данной главе, позволяет сформулировать следующие два защищаемые положения:

Скорость деградации реликтовых субаквальных многолетнемерзлых пород определяется их строением и мощностью залегающих на них осадков, а также температурой и соленостью придонного слоя воды и характером гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне шельфа. Эта скорость составляет первые десятки сантиметров в верхней части подводного берегового склона, а в нижней его части уменьшается до долей сантиметра в год. В связи с неравномерностью темпов протаивания СММП, их кровля, понижающаяся от берега в море, в большинстве случаев имеет вогнутый профиль.

Субаквальная мерзлота сохраняется на большей части подводного берегового склона морей Восточной Сибири и, являясь частью прибрежно-шельфовой криогенной системы, динамически связана с особенностями развития ее наземной части многолетнемерзлых пород береговой зоны. Величина уклонов кровли СММП в пределах подводного берегового склона является функцией времени их нахождения в субаквальных условиях и определяется динамическим режимом прилегающего берегового сектора. Уклоны кровли подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне этих морей (в среднем 0,011) варьируют в широких пределах, от 0,0002 до 0,1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучены закономерности развития основных рельефообразующих процессов в прибрежно-шельфовой криолитозоне восточно-арктических морей России. Выявлена и уточнена роль криогенных процессов в развитии субаквальных многолетнемерзлых пород на прибрежном шельфе и в формировании береговой зоны морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Рассмотрены и проанализированы методы исследования береговой и подводной мерзлоты. В ходе исследований впервые создана электронная база данных берегов морей Восточной Сибири на основе их сегментирования с информацией об основных мерзлотно-геологических и геоморфологических параметрах береговой зоны.

Рассчитаны средние скорости отступания берегов как в целом для морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, так и для отдельных типов берегов. Установлена роль ледового комплекса и процессов его  денудации в формировании берегового потока терригенных наносов, выносимых в арктический бассейн. Оценен вклад этого источника терригенного материала в бюджет аккумуляции осадков на шельфе. Доказана доминирующая роль криогенных процессов в формировании донных отложений прибрежного арктического шельфа в исследуемом регионе. Активное развитие криогенных процессов объясняется необычайно широким распространением льдистых пород на берегах исследуемых морей. Одно из важнейших следствий термоабразионно-термоденудационного разрушения арктических берегов – вынос на арктический шельф большого объема терригенного материала.

В работе проведен анализ данных, полученных по ключевым буровым профилям, вскрывшим подводную мерзлоту в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Установлены закономерности изменения уклонов кровли субаквальных мерзлых пород и скоростей их деградации сверху.

Основные выводы:

1. Установлено, что мерзлотно-геоморфологические процессы в береговой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского формируют самые динамичные в Арктике геоморфологические и ландшафтные зоны. По объемам разрушения берегов криогенные процессы многократно превосходит совокупность других деструктивных береговых геоморфологических процессов. Выявлены средние многолетние скорости отступания берегов морей Восточной Сибири. Скорость термоарбразинно-термоденудационного разрушения береговых секторов, содержащих ледовый комплекс, в среднем в 5-6 раз выше, чем малольдистых берегов.

2. Доказано, что в результате деструкции льдистых берегов исследуемых морей на шельф поступает около их суммарного берегового потока наносов (150 млн. тонн в год). Эта величина превышает твердый вынос из берегов всех остальных арктических морей и почти в 3 раза больше регионального твердого речного стока.

3. На примере устьевой области р. Лены доказана большая роль разрушения берегов внутри дельты в бюджете терригенных осадков, поступающих на шельф моря Лаптевых.

4. Установлен поток органического углерода, поступающего из разрушающихся береговых толщ в акваторию морей Лаптевых и Восточно-Сибирского (1,63 и 2,39 млн. тонн в год, соответственно). Это единственные береговые зоны, где вынос органического материала из берегов на шельф сопоставим с речным выносом. Единственный регион в Арктике, где береговой вынос органического углерода море превышает речной, относится к побережью Восточно-Сибирского моря.

5. В последние годы (2004-2007 гг.) выявлено заметное усиление береговых процессов. Скорость отступания берегов, в связи с максимумом потепления в Арктике в этот период, превысила на нескольких ключевых мониторинговых участках среднемноголетние нормы в 1,5-2,5 раза.

6. На основе ГИС-технологий создана электронная база мерзлотных, геоморфологических, литологических и динамических данных морских берегов Восточной Сибири.

7. Установлено, что субаквальные многолетнемерзлые породы (СММП) в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и восточно-Сибирского существуют на большинстве участков подводного берегового склона. Оценены средние уклоны кровли СММП в пределах подводного берегового склона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, варьирующие в широких пределах (0,0002-0,1). Темп понижения кровли СММП составляет от первых сантиметров до 30 см/год, а на его нижней границе подводного берегового склона падает до первых миллиметров в год.

8. Выявлено широкое распространения сезонных горизонтов напорных высокоминерализованных вод (криопэгов), образующихся в результате закачки морской воды в донные отложения при промерзании через морской лед на обширных мелководьях. Слой низкотемтературных засоленных грунтов, часто залегающий непосредственно на кровле СММП и подстилающий сезонно-мерзлый слой донных осадков под морским льдом, ускоряет оттаивание СММП.

9. Показано, что крутизна уклона кровли субаквальных многолетнемерзлых пород в сторону моря зависит от динамического режима берегов. Установлено, что морфология кровли СММП значительно осложнена реликтовыми континентальными формами мезорельефа и сопутствующими им таликовыми зонами. Эволюция толщи СММП зависит от местных факторов. Важнейшее значение среди них имеют температура и соленость придонной воды; темп отступания или выдвижения морского берега; активность проявлений криоморфогенеза; объем потока береговых наносов; морфология берега и конфигурация береговой линии; состав и льдистость пород надводной и подводной частях берегового склона; характер гидрологических и литологических процессов в прибрежной зоне шельфа.

Перспективы и направления дальнейших работ по теме исследований связаны с недостаточной изученностью береговой зоны и шельфа арктических морей в отношении мерзлотно-геологических, геоморфологических и литодинамических параметров.  Пока не объяснено, почему при столь малых уклонах дна прибрежного шельфа исследуемого региона, которые, согласно классическим представлениям В.П. Зенковича (1962), должны препятствовать быстрому разрушению берегов, они продолжают активно разрушаться. Возможно, такое явление  связано с просадками дна при деградации подводной мерзлоты, работой морских припайных льдов и выработкой специфического неравновесного подводного профиля склона. Это – проблема дальнейших исследований автора.

Крайне слабо изучены процессы, происходящие на контакте толщи СММП с засоленными донными грунтами в зоне припайного льда, под которым обнаруживаются экстремально низкотемпературные криопэги. В настоящее время появляются новые данные, позволяющие утверждать, что процесс формирования криопэгов на прибрежном шельфе восточно-арктических морей России распространен очень широко.

Предполагается продолжить изучение подводной мерзлоты с судов и с морского льда с максимально возможным удалением от берега. Используя современную геофизическую аппаратуру и имея надежные имеющиеся  реперы-рефлекторы в виде вскрытой кровли СММП, планируется продолжить исследованные ранее профили на 50-70 км от берега. Чукотское море, которое не рассматривается в диссертации, в отношении особенностей развития береговой зоны и подводной мерзлоты практически совсем не изучено. Начать эти работы было бы для нас очень интересной и важной задачей.

Основные публикации по теме работы:

По теме диссертации опубликовано 69 работ, основные из которых, содержащие материалы защищаемых положений диссертации, приводятся ниже, в том числе 14 статей в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК (выделены жирным шрифтом), а также авторская и три коллективные монографии (выделены курсивом).

  1. Мерзлотная геоморфология плейстоценовых останцов западного сектора дельты Лены // Региональные и инженерные геокриологические исследования. - Якутск: Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1985. – С. 61-68.
  2. Динамика и типы мерзлотного рельефа в дельте Лены // Материалы XII научной конференции аспирантов и молодых ученых: мерзлотоведение, М., МГУ, 12 марта 1985 г. (19.06.1985, №4353-53 Деп., ВИНИТИ). – С. 40-48.
  3. Геоморфологические и литодинамические критерии поиска скоплений тяжелых минералов на шельфе // Вестник Московского Университета, Сер.5, География,  №3, 1984. С. 50-56. / Игнатов Е.И.
  4. Криогенные критерии россыпеобразования прибрежной зоны Арктических морей // Геоморфология – наука и практика. Сб. статей студентов и аспирантов кафедры геоморфологии МГУ, посв. 100-летию И.С. Щукина, 1986 (деп. ВИНИТИ, № 871 06.02.1986 г.). – С. 41-47.
  5. Криоморфокомплекс дельты Лены и роль неотектоники в его развитии // Материалы Шестой научно-практической республиканской конференции, Якутск, 1986. - Ч. 3. – С. 35-37.
  6. Основные черты современного криоморфогенеза в устьевой области р. Лены // Методы изучения свойств и состояния геологической среды. ВСЕГИНГЕО, 1987 (деп. ВИНИТИ, 05.06.1987, № 4064-В87). – С. 73-83.
  7. Роль криоморфогенеза в эволюции рельефа устьевой области р.Лены в голоцене // Исследования мерзлых толщ и криогенных явлений. Якутск: Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1988. – С. 22-28.
  8. К развитию бассейна р. Лены в позднем кайнозое (на основе анализа условий переноса обломочного материала в криолитозоне) // Условия и процессы криогенной миграции вещества. Якутск: Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1990. – С. 154-161. / Давиденко Н.М., Костюкевич В.В., Урицкий Ю.Ф.
  9. Роль криоморфогенеза в преобразовании ландшафтов и загрязнении рек (на примере осваиваемых районов Северной Якутии) // Вопросы развития и освоения мерзлых толщ. - Якутск: Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1990. – С. 3-15. / Киреев В.Н.
  10. Криоморфогенез устьевой области р. Лены. Институт мерзлотоведения СО РАН, Якутск. – 1993. – 175 с.
  11. Геология, сейсмичность и мерзлотные процессы Западной Якутии. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1996.- 85 с. / Имаев В.С., Имаева Л.П., Козьмин Б.М., Куницкий В.В., Микуленко К.И. 
  12. Закономерности процессов термоабразии и термоденудации берегов арктических морей (на примере ключевых участков моря Лаптевых) // Материалы Первой конференции геокриологов России. Кн.1. - Ч.3. Динамическая геокриология. - М.: Моск. ун-т, 1996. - С. 504-511.
  13. Термокарст и его роль в формировании прибрежной зоны шельфа моря Лаптевых // Криосфера Земли, т.III, № 3, 1999. -С. 79-91. / Романовский Н.Н., Гаврилов А.В., Тумской В.Е., Хуббертен  Х.-В., Зигерт К.
  14. Ледовый комплекс арктического побережья Якутии как источник наносов на шельфе // Гидрометеорологические и биогеохимические исследования в Арктике. Труды Арктического регионального центра. Владивосток: Дальнаука. - 2000 - Т. 2. - С. 109-116. / Куницкий В.В.
  15. Современные криогенные геолого-геоморфологические процессы в прибрежной зоне арктических морей Азии: динамика и потоки наносов // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. Иркутск, 2004. Вып. 1. – С. 102-111.
  16. Определение скорости отступания темоабразионных берегов по размерам термотеррас // Криосфера Земли, № 3, Т. VIII, Новосибирск: Изд-во СО РАН, Филиал «ГЕО», 2004.  - С. 52-56. / Арэ Ф.Э., Рахольд Ф., Хуббертен Х.-В.
  17. Распространение и эволюция субаквальной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского как следствие многолетней трансформации береговой зоны // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. – Вып. 2. – Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005. – 136-155. / Разумов С.О.
  18. Морфология и динамика преобразования подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского // Наука и образование. 2006. № 4. С. 104-109.
  19. Динамика берегов восточных арктических морей России: основные факторы, закономерности и тенденции. - Криосфера Земли. 2006. - Том № 4., с. 74-95. / Разумов С.О., Куницкий В.В., Спектор В.Б.
  20. Разрушение льдистых морских берегов Якутии // Наука и техника в Якутии. Новосибирск: Академическое изд-во «ГЕО», 2007. – С. 23-29.
  21. Генеральная прогнозная схема развития прибрежных зон арктических морей Евразии в XXI веке. Океанология, №1, том 47, 2007. С. 116-126. / Павлидис Ю.А., Леонтьев И.О., Никифоров С.Л., Рахольд Ф., Разумов С.О., Васильев А.А.
  22. Late Quaternary sedimentation history of the Lena Delta. // Proceedings of the International Conference on Past Global Changes, Prague, Sept. 6-9 2000, Geolines, Vol. 11, 2000. - P. 35-38. / Schwamborn G., Rachold V., Krbetschek M.
  23. Thermokarst and land-ocean interactions, Laptev Sea region, Russia / Permafrost and Periglacial Processes, 11, 2000. - P. 137-152. / Romanovskii, N.N., Hubberten, H.-W., Gavrilov, A.V., Tumskoy, V.E., Tipenko, Siegert, C.
  24. Coastal erosion studies in the Laptev Sea // Reports on Polar Research. Russian-German cooperation - System Laptev Sea 2000: The Expedition Lena 2000. Bremerhaven, Germany, Vol. 354, 2000. - P. 65-74. / Are F. E., Hubberten H.-W., Rachold V, Razumov S. O., Schneider W.
  25. Coastal erosion vs. riverine sediment discharge in the Arctic Shelf seas // International Journal of Earth Sciences, No 89, 2000. P. 450-460. / Rachold V., Are F.E., Solomon S., Reimnitz E., Kassens H., Antonow M.
  26. Coastal dynamics in the western Laptev Sea // Reports on Polar Research. Russian-German cooperation - System Laptev Sea 2000: The Expedition Lena 2000. Bremerhaven, Germany, Vol. 388, 2001. - P. 54-59. / Rachold V, Are F. E., Hubberten H.-W., Razumov S. O., Schneider W.
  27. Shoreface profiles of the central and western Laptev Sea coast // Reports on Polar Research. Russian-German cooperation - System Laptev Sea 2000: The Expedition Lena 2000. Bremerhaven, Germany, 2001. - Vol. 388, p. 60-64. / Are F. E., Rachold V, Hubberten H.-W., Razumov S. O., Schneider W.
  28. Peculiarities of coastal processes and shoreline dynamics in the north-west of the Lena Delta // Reports on Polar Research. Russian-German Cooperation System Laptev Sea 2000: The Expedition LENA 2001.  - Vol. 426, Bremerhaven, Germany, 2002. - P. 64-70. / Are F. E., Hubberten H.–W., Razumov S. O., Scheider W.
  29. Comparative shoreface evolution along the Laptev Sea coast. / Polarforschung, 70, Germany, 2002. - P. 135-150. / Are F. E., Hubberten H.–W., Rachold V., Razumov S. O.
  30. Late Quaternary sedimentation history of the Lena Delta / The Journal of the International Union for Quaternary Research. Quaternary International. 2002. No 89. P. 119-134. / Schwamborn G., Rachold V.
  31. Shore erosion in the apex of the Lena Delta // Reports on Polar Research. Russian-German Cooperation System Laptev Sea 2000: The Expedition Lena 2002. - Vol. 466, Bremerhaven, Germany, 2003. P. 92-95.
  32. Calculations of the shore retreat rate using thermoterrace dimensions // Reports on Polar Research. Russian-German Cooperation System Laptev Sea: The Expedition Lena 2002. - Vol. 466, Bremerhaven, Germany, 2003/ - P. 335-339. // Are F. E., Hubberten H.-W., Rachold V.
  33. Water temperature and hydrometeorological characteristics along New Siberian Islands coast // Reports on Polar Research. Russian-German Cooperation System Laptev Sea: The Expedition Lena 2002. - Vol. 466, Bremerhaven, Germany, p. 330-334. / Razumov S. O.
  34. The degradation of coastal permafrost and the organic carbon balance of the Laptev and East Siberian Seas // Proceedings of the 8th International conference on permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switzerland, Vol. 1, p. 319-324. / Rachold V.
  35. A geo information system (GIS) for Circum-Arctic coastal dynamics // Proceedings of the 8th International conference on permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switzerland, 2003. - Vol. 2. – P. 923-927. / Rachold V., Lack M.
  36. Organic carbon input to the Arctic Seas through coastal erosion / Organic carbon cycle in the Arctic Ocean: present and past (R.Stein and R.W.Macdonald, eds.), Springer Verlag, Berlin, Germany. -  2004. – P. 41-47. / Rachold V., Hubberten H.-W., Schirrmeister L.
  37. Using thermoterrace dimensions to calculate the coastal erosion rate / International Journal of Marine Geology. Geo-Marine Letters. Springer, 2005. - Vol. 25, No. 2-3. P. 121-126. / Are F.E., Hubberten H.-W., Rachold V.
  38. Morphogenetic> P. 89-97. / Nikiforov S.L, Pavlidis Yu.A., Rachold V., Rivkin F.M., Ivanova N.V., Koreisha M.M.
  39. The evolution and degradation of coastal permafrost in the Laptev and East Siberian Seas during the last climatic cycle / Harff J., Hay W.W., and Tetzlaff D.M., (eds.). Coastal Changes: Interrelation of Climate and Geological Processes. The Geological Society of America. USA. Special Paper 426, 2007. - P. 97-111. / Overduin P. P., Hubberten H.-W., Rachold V., Romanovskii N, Kasymskaya M.
  40. Subsea permafrost studies in the near-shore zone of the Laptev Sea // Reports on Polar and Marine Research. Russian-German cooperation System Laptev Sea: Coast Drilling Campaign 2005: The Expedition COAST 1. Vol. 550. Bremerhaven, Germany, 2007. - P. 1-40. / Overduin P.P., Junker R., Rachold V., Kunitsky V.V., Bolshiyanov D.Yu., Schirrmeister L.
  41. Nearshore Arctic subsea permafrost in transition / EOS, Transactions, American Geophysical Union, Volume 88, No. 13, 2007. - P. 149156. / Rachold V., Bolshiyanov D. Y., Hubberten H.-W., Junker R., Kunitsky V. V., Overduin P., Schneider W.
  42. The Influence of cryogenic processes on the erosional Arctic shoreface // Journal of Coastal Research. - West Palm Beach (Florida) USA. - Vol. 1(24)., 2008. - P. 110-121. / Are F.E., Reimnitz E., Hubberten H.-W., Rachold V.
  43. Non-Contact Infrared Temperature Measurements in Dry Permafrost Boreholes / Journal of Geophysical Research. Solid Earth. VOL. 113, 2008. B04102, doi:10.1029/2007JB004946. / Junker R., Kaul N.
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.