Влияние криогенных процессов на динамику Уральского берега Байдарацкой губы Карского моря

Работа выполнена при поддержке гранта президента для молодых кандидатов наук МК-407.2019.5. Участие Н.Г. Беловой в исследовании осуществлялось в рамках проекта РФФИ №18-05-60300, О.С. Шиловой – темы ГЗ № АААА-А16-116032810055-0.

Введение

Изучение береговых процессов является достаточно актуальным вопросом в связи с активным освоением арктических побережий, сложенных очень чувствительными к внешним воздействиям многолетнемерзлыми породами (ММП). Наиболее явно это проявляется для западного сектора Российской Арктики, где в разрезах широко развиты засоленные отложения ^{[1, 2]}, чутко реагирующие на даже незначительные изменения отрицательных температур ^[3]. В береговой зоне арктических морей происходит большое количество экзогенных процессов, влияющих на динамику берега на конкретном участке ^[4]. Основными экзогенными геокриологическими процессами, воздействующими на берега морей, являются термоабразия, термоденудация, термокарст и термоэрозия – комплекс взаимосвязанных процессов переработки берегов, роль каждого из которых определяется совокупностью элементов природной среды ^[5]. В связи с различными трактовками определений природных процессов, для корректного восприятия материала приводится терминология, используемая в рамках данной работы. Термоабразия – процесс разрушения берегов, сложенных ММП, под совместным действием механической и тепловой энергии моря ^{[6, 7]}. Термоденудация понимается как комплекс гравитационных и эрозионных процессов (обваливание, скольжение, течение, размыв и смыв), совместно развивающихся на склонах и в откосах при оттаивании толщи ММП ^[8]. Термокарст – процесс протаивания высокольдистых ММП или залежей подземных льдов, сопровождающийся образованием термокарстовых форм ^[9]. Термоэрозия – процесс одновременного теплового и механического воздействия водных потоков на мерзлые породы ^[10] или, с точки зрения морфологии - процесс врезания водного потока в мерзлый массив ^[11]. Зачастую, термоэрозия активизируется по протаивающим повторно-жильным льдам (ПЖЛ).

Таким образом, мерзлотные процессы, за исключением термоабразии, подготавливают вещество к перемещению и напрямую влияют на состояние берега и его облик. Целью данного исследования является количественная оценка влияния различных мерзлотных процессов на скорость отступания береговой линии на ключевом участке берега Карского моря. Осредненная для всего арктического побережья скорость отступания берегов составляет около 0,5 м/год ^[12]. Однако, на разных участках скорости сильно различаются и изменяются со временем. На побережье Байдарацкой губы средние скорости отступания берега составляют 0,5-2,5 м/год ^[13]. Получение количественной оценки вклада мерзлотных процессов позволит проводить более обоснованное моделирование и делать прогноз развития тех или иных участков берега Российской Арктики.

Район исследований

В ходе полевых и камеральных исследований был изучен участок Уральского (западного) берега Байдарацкой губы Карского моря от о. Левдиев до о. Торасавей протяженностью 4 км, расположенный к северо-западу от трассы перехода газопровода «Бованенково-Ухта» через губу (рис. 1).

Рис. 1. Район исследований

Район исследований относится к западному сектору Российской Арктики и характеризуется суровым климатом с холодной продолжительной зимой и небольшим количеством осадков (годовая сумма составляет 260-330 мм). ММП имеют сплошное распространение, их мощность изменяется от 50 до 100 м ^[2]. В северо-западной части участка высота подходящей к губе поверхности террасы составляет 12-15 м над уровнем моря. В центральной части участка к губе подходит лайда с абсолютными отметками от 0,5 до 3 м, в юго-восточной части – поверхность с высотой до 4-5 м. Отложения высокой поверхности имеют поздне-плейстоценовый возраст ^[14] и представлены преимущественно пылеватыми песками и супесями с льдистостью 20-30%, с прослоями более льдистых суглинков ^[15]. Суммарная льдистость увеличивается в местах выхода пластовых и жильных льдов. Пластовые льды достигают 3,5 м мощности и простираются до 80 м, льды формируют одну или две пачки, обнажающиеся в береговом обрыве ^[16]. Лайда сложена голоценовыми заторфованными отложениями подстилаемыми песками и супесями. Льдистость верхней части разреза достигает 50-60% и уменьшается с глубиной. Поверхность с абсолютными отметками 4-5 м сложена позднеплейстоценовыми отложениями ^[14]. Верхняя часть разреза до 3 м сложена незасоленными супесями и песками, часто заторфованными с суммарной льдистостью до 50-80%. Ниже 3 м залегают засоленные грунты, представленные супесями, песками и суглинками ^[15].

На рассматриваемом участке такие факторы, как экспозиция склона, положение по отношению к господствующим волноэнергетическим потокам, метеорологическая обстановка (температура воздуха, осадки, испарение и др.) действуют одинаково. При прочих равных наибольшую роль в динамике берега играют геоморфологическое и криогенное строение береговой зоны.

Состояние изученности вопроса

На западном побережье Байдарацкой губы в районе устья р. Оюяхи наземный мониторинг динамики берегов был начат в 1988 сотрудниками лаборатории геоэкологии Севера географического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова ^[17]. На Уральском берегу, преобладают типичные термоабразионные берега с высотой уступа от 2 до 18 м ^{[17, 18]}. По результатам мониторинга, средняя скорость отступания на Уральском берегу за 1988–2009 гг. составила от 0,4 до 1,9 м/год. При многолетнем осреднении скорости отступания абразионного берега с отмирающим клифом высотой 4–7 м равняются 0,4–0,5 м/год, термоабразионного с высотами 7–18 – 0,7–0,8 м/год и термоабразионного с высотами 2–7 м – 1,0–1,9 м/год соответственно ^[17]. Анализ данных дистанционного зондирования: космические фотоснимки (КФС) Corona KH-4A 1964 г., аэрофотоснимки (АФС) 1988 г., КФС QuickBird-2 2005 г., WorldView-1 2012 г., WorldView-2 2013 г., WorldView-2 2016 г. показал темпы отступания берега 1,2 ± 0,15 м/год за период 1964-2016. В течение 2005-2012 гг. темпы разрушения в среднем составляют 2,6 м/год при максимальных скоростях до 7,0 м/год, наблюдаемых на лайде после шторма ^[19]. По мнению ^[20] увеличение скорости разрушения до 3,9 м/год в период 2009-2012 гг. связано с активным техногенным освоением. Анализ КФС QuickBird-2 2005, WorldView-1 2012 и полевых исследований 2013- 2016 гг. выявил темпы разрушения от 1,0 (+0,1/−0,6) до 1,9 (+0,7/−1,3) м/год в период 2005–2016 ^[21]. На динамику Уральского берега Байдарацкой губы влияет сочетание ветроволнового и термического факторов ^[20]. Это объясняется сложным и мозаичным криолитологическим и геолого-геоморфологическим строением участка, на котором встречаются отрезки, подверженные в большей степени влиянию того или иного фактора. Однако в исследованиях В.С. Исаева с соавторами ^[21] основная роль отводится ветровому волнению. В тоже время В.А.Совершаев ^[22] при исследовании того же участка считал тепловой фактор более значимым (80% вклада) по сравнению с ветро-волновым (20% вклада). Исследуемый нами участок имеет меньшую протяженность, поэтому и дифференциация влияния этих факторов меньше, что позволяет сосредоточиться на исследовании влияния различных криогенных процессов на динамику его берегов. Необходимо отметить, что данный аспект динамики берегов практически не изучен.

Методика

Для того, чтобы оценить вклад криогенных процессов в динамику берегового процесса, нами был выполнен комплекс полевых и камеральных работ. В первую очередь, был обследован ключевой участок и детально описаны геоморфологическое и геокриологического строение и происходящие на нем процессы. Полевые исследования включали режимные наблюдения за динамикой береговой зоны, температурным режимом пород, изучение геологического и геокриологического строения, измерение глубины сезонного оттаивания пород побережья и др. Положение берегового уступа определялось как в результате собственных замеров положения бровки по данным системы дифференциальной коррекции глобальных навигационных спутниковых систем (DGPS) в 2013, 2014, 2015 и 2017 гг., так и по результатам дешифрирования космических снимков (QuickBird-2 2005 г., WorldView-1 2012 г., WorldView-2 2013 г., WorldView-2 2016 г.). Съемка при помощи DGPS выполнялась на ключевом участке в 2013-2017 гг. Съемка проводилась приемниками Trimble GeoXH® (2008 series) с внешней антенной Zephyr®. Для исследований применялись двухчастотные спутниковые приемоиндикаторы Trimble® (Trimble R8 GPS Receiver, Trimble tsc2 Controller, Trimble HPB450). Съемка производилась с установкой базовой станции, сбором навигационной информации и корректировкой координат по реперам. Вместе с базовой станцией был установлен модем-передатчик Trimble HPB450, который передавал поправки в формате CMR+ на мобильный спутниковый приемник. В итоге происходила двойная привязка через связь со спутником и базовой станцией. Использование DGPS в наших условиях позволило провести съемку точность около 0,2 м как в плане, так и по высоте. Оператор двигался вдоль бровки берегового уступа и перемещал приемник строго над береговым обрывом, в результате чего был получен трек, соответствующий его положению.

Оценка динамики береговой зоны проводилась стандартными, хорошо разработанными методами ^{[13, 19]}. В среде ArcMap 10.2 производилась привязка космоснимков 2005, 2012, 2013 и 2016 гг. при помощи данных DGPS в системе координат WGS 84 UTM42N и дешифрирование бровки террасы. Кроме того, использовались полученные с помощью DGPS данные, характеризующие положение бровки террасы в разные годы. Скорость разрушения берегового обрыва оценивалась по расстоянию между положениями бровки в разные годы. Для этого исследуемый участок был покрыт виртуальной сетью профилей. Всего было построено 345 профилей. Профили с азимутом 18° располагались перпендикулярно линии моря с шагом 10 м, в соответствии с классической методикой, описанной в ^[23]. Использование этой методики, в отличие от построения транссект с помощью утилиты цифрового анализа береговых линий (DSAS) для ArcGIS ^[24], используемой в большинстве современных исследований, позволяет использовать одну и ту же линию для оценки смещения линии берега для любого набора лет. В результате, мы получаем скорости отступания по одному и тому же профилю за разные годы, что невозможно при использовании DSAS.

По каждому из профилей было определено расстояние между интересующими нас линиями, в результате деления которого на количество лет определялась средняя скорость смещения за эти годы. Для возможности корректного сравнения определялись скорости для следующих временных интервалов: 1) 2005-2013 гг. по данным КФС (8 лет); 2) 2012-2016 гг. по данным КФС (4 года); 3) 2013-2015 гг. по данным DGPS (2 года); 4) 2015-2017 гг. по данным DGPS.

Разделение участков по преобладающим криогенным процессам было выполнено на основе выделения областей на КФС. Все выделенные на снимках проистекающие процессы были расклассифицированы по степени активности на каждом из участков, на каждом участке были выявлен ведущий процесс. В результате, весь ключевой участок был разделен на следующие зоны в соответствии с преобладающим типом криогенных процессов на береговом уступе и на прилегающей поверхности приморской равнины:

I – участки с преобладанием термоденудационных процессов;

II – участки с преобладанием термоэрозионных процессов;

III – участки с преобладанием термокарстовых процессов.

Разделение участка на зоны вкупе с полученными скоростями смещения береговых линий позволили судить о дифференциации скоростей по участкам и их причинах. Полученные скорости разделались на ряд таблиц в зависимости от: а) использованного временного ряда; б) типа (зоны) преобладающих процессов; в) геоморфологического строения участка. В случае, если конкретный профиль, например, в пределах области преобладания термоденудационных процессов, попадал в зону развития другого процесса (овраг, развивающийся по ледяной жиле), то значение скорости отступания записывалось в таблицу термоэрозии. Такое внутренне деление участков на более мелкие «подучастки» не отображено на рис. 2 в силу используемого масштаба. Всего было выделено 12 участков, 7 из которых относятся к типу I, 4 – к типу II, 1 – к типу III.

Результаты

Развитие геокриологических процессов на данной территории носит разномасштабный характер, как в плане, так и во времени. Различные с точки зрения протекания криогенных процессов зоны показаны на Рис. 2.

Рис. 2. Положение бровок береговых уступов за различные годы. I – участки с преобладанием термоденудационных процессов, II – участки с преобладанием термоэрозионных процессов, III – участки с преобладанием термокарстовых процессов. Основа: снимок QuickBird-2 2005 г.

На большей части территории отступание берега определяется развитием процесса термоденудации (зона I). Средние скорости отступания берегов на таких участках за период 1947–2001 гг. находятся в диапазоне 0,6–1,1 м/год ^[25]. Смещение положения бровки происходит равномерно на различных участках берега. Скорости разрушения берегового уступа за разные временные интервалы показана на рис. 3. На гистограмме скоростей за 8 лет (2005-2013 гг.) выражено три пика. Эти пики соответствуют скоростям отступания берега на разных геоморфологических уровнях, полученным по результатам статистической обработки. Для высокой поверхности (12-15 м) средняя скорость 2,2 м/год, лайды – 6,2 м/год, низкой террасы – 1,5 м/год. Таким образом, скорости в большой степени зависят от геолого-геоморфологического строения участка. За четырехлетний (2012-2016 гг.) и двухгодичный (2015-2017 гг.) интервалы времени темпы отступания высокого и низкого берега практически одинаковы и составляют 0,5-0,6 м/год, при практически неподвижном береговом уступе в пределах лайды.

Рис. 3. Гистограммы скоростей смещения бровок береговых уступов за счет процесса термоденудации

Зона II менее широкая по протяженности, с развитыми полигонально-жильными льдами и активизированными по ним процессами термоэрозии (рис. 4). За счет длительного протаивания ПЖЛ формируются в плане многочисленные врезы и карманы (зона II рис. 2). Смещение положения бровки происходит неоднородно, периодически затухает в отдельные годы. Это связано с тем, что жила может вытаивать, что приостанавливает процесс на некоторое время. Также, при формировании глубокого вреза борта оврагов могут постепенно затекать оттаивающим материалом, блокируя ледяную жилу и защищая ее от дальнейшего оттаивания. В пределах низкой террасы на востоке изучаемой территории до 2012 г. происходило отступание за счет протаивания ПЖЛ, линия бровки в 2005 г. неровная с многочисленными врезами (красная линия на рис. 2). За период 2005-2013 гг. темпы отступания береговой линии в областях развития термоэрозии незначительно ниже, чем в областях развития термоденудации за тот же период: в пределах низкой террасы бровка смещалась на 0,7 м/год, в пределах высокой на 1,5 м/год. В настоящее время линия бровки в плане более ровная, а врезы менее выражены, что может свидетельствовать о затухании процесса термоэрозии в период 2012-2016 гг. (скорость 0,8 м/год), и последующем развитии этого процесса по отдельным жилам со скоростью 3,0-3,9 м/год в период 2015-2017 гг. На высокой террасе наблюдается обратный процесс: более интенсивный рост оврагов в 2013-2015 гг. происходил со средней скоростью 1,1 м/год и максимальной 9 м/год, а в 2015-2017 гг. происходило затухание процесса до средней скорости 0,6 м/год. Для высоко геоморфологического уровня (10-18 м) на аналогичном участке по данным Н.Г. Беловой и др.^[18] скорости смещения береговой линии в среднем составили 1,4 м/год.

Рис. 4. Гистограммы скоростей смещения бровок береговых уступов за счет процесса термоэрозии

Зона III характеризуется развитием термокарстовых озер и целиком относится к лайде. Отступание берега здесь может происходить по смешанному механизму: фоновое отступание за счет термоабразии (происходящее преимущественно в период осенних штормов) время от времени сменяется скачкообразным преобразованием береговой линии при спуске термокарстовых озер (рис. 2). Скорость отступания может достигать десятков метров в год, за период 2005-2013 гг. максимальная скорость составила 13,5 м/год. Это самое быстрое смещение береговой линии, отмеченное на всем участке. В дальнейшем бровка уступа стабилизируется, что и наблюдается с 2012 г., скорость отступания составляет менее 1 м/год (рис. 5). Б.Джонс и его коллеги ^[26] также наблюдали наибольшие скорости разрушения берега именно в районе недавно спущенных озерных котловин. Определяются они в первую очередь размером спускаемого озера. Новикова с соавторами ^[19] говорят о приуроченности максимальных скоростей к лайде.

Рис. 5. Гистограммы скоростей смещения бровок береговых уступов в пределах лайды при спуске термокарстовых озер.

Выводы

Для Уральского берега Байдарацкой губы Карского моря было выделено несколько участков с преобладанием того или иного криогенного процесса.

Наиболее широкое распространение на участке получили процессы термоденудации. Участки с их преобладанием наиболее протяженны. Отступание берегового уступа в пределах этой зоны происходит равномерно (монотонно) и зависит от геолого-геоморфологического строения берега. Темпы отступания берега в пределах этой зоны за относительно более короткие периоды в несколько лет (от 2 до 4 лет) имеют меньшие значения, чем темпы за относительно более длительные периоды (8 лет). Это говорит о том, что за более длительный период происходит выравнивание значений скоростей отступания. В таком случае главную роль начинают играть состав отложений и геоморфологический уровень подходящей к морю поверхности.

Вторая по протяженности зона характеризуется преобладанием термоэрозионных процессов, преимущественно развивающихся по ПЖЛ. Темпы развития этих процессов изменяются от года к году, резко активизируясь в одни годы и практически полностью затухания в другие. Из-за такого непостоянства средняя скорость разрушения берега для относительно длительного периода наблюдений (8 лет) оказалась ниже, чем скорость отступания берега на участках развития процесса термоденудации в того же период. Однако для более кратковременных интервалов темпы отступания берега под влиянием термоэрозии оказываются выше, чем под влиянием термоденудации.

Наименее широкая в плане зона развивается под влиянием термокарстовых процессов, в нашем случае она приуроченная к лайде. Здесь постепенное отступание берега за счет термоабразии сменяется быстрым и скачкообразным изменением положением береговой линии за счет спуска термокарстовых озер. Скорости достигают десятков метров в год, однако после этого эта область стабилизируется на долгие годы, когда происходит постепенное выравнивание береговой линии в плане.

Таким образом, на динамику Уральского берега Байдарацкой губы на локальном уровне влияют как криогенные процессы, так и общее геолого-геоморфологическое строение берега. Учет полученной количественной оценки вклада мерзлотных процессов позволит проводить более обоснованное моделирование и делать прогноз развития.

Благодарности. Авторы выражают признательность руководству проекта SAMcoT (Sustainable Arctic Marine and Coastal Technology), В.С. Исаеву, Р.М. Аманжурову и кафедре геокриологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.