Восприимчивость многолетнемёрзлых пород приморских равнин Восточной Чукотки к современным климатическим изменениям (РНФ)НИР

Permafrost sensibility to climate change in Eastern Chukotka coastal plains

Соисполнители НИР

МГУ имени M.В.Ломоносова Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июля 2019 г.-31 декабря 2019 г. Восприимчивость многолетнемёрзлых пород приморских равнин Восточной Чукотки к современным климатическим изменениям (РНФ)
Результаты этапа: 1) Полевые исследования параметров СТС на мониторинговых площадках Восточной Чукотки показали, что глубина сезонного оттаивания в 2019 г. была выше среднемноголетних значений (2000-2019 для Лаврентия и 2010-2019 для Лорино) на 13% для Лаврентия и на 22% для Лорино. Это позволило сохранить тренд к увеличению мощности СТС, который для Лаврентия составляет 0,7 см/год (R2 = 0,51), а для Лорино – 1,9см/год (R2 = 0,86). Измерение изменения поверхности почвы по вмороженным кольям на площадке «Лаврентия» показало, что с конца сентября 2018 г. по конец июля 2019 г. изменение поверхности (зимнее пучение 2018/19 г. + осадка поверхности в первой половине лета 2019 г.) составило -3,1±2,1 см (n = 100). Это значит, что в результате глубокого оттаивания почвы (2018 год характеризовался максимальными значениями СТС за всё время наблюдений на площадках) морозное пучение при примерзании отложений СТС не в состоянии было скомпенсировать понижение поверхности почвы в предыдущий год. Суммарная осадка за 2019 год (включая июль и август) составила 3,4 см, что значительно выше средних значений за 2012-2019 гг. (2,0 см/год). Среднее значение влажности приповерхностного слоя почвы по площадке мониторинга Лаврентия в 2019 году составили в июле 70,9±23,2%, в августе 76,9±24,4%, что немного выше прошлогодних значений (55,1-65,0%). Указанные вариации связаны с погодными условиями в периоды проведения измерений. Выявление многолетнего тренда и его влияние на теплофизические свойства грунтов СТС входят в исследовательские задачи второго года реализации проекта. Проективное покрытие растительности для Лаврентия и Лорино в 2019 г. составило 75 и 60% соответственно (n = 121). Для Лаврентия преобладающими видами являются осоки (34%) и различные виды ив (14%), в то время как для Лорино – это также осоки (15%) и голубика (9%). По итогам мониторинга растительности на площадке Лаврентия, проективное покрытие осоки находится в пределах многолетних вариаций, а покрытие ив немного снижается. Для Лорино за 2013-2019 гг. доля осок и голубики увеличилась на 4%, подвинув сфагнум и другие зелёные мхи, чья доля в проективном покрытии сократилась с 10 до 7%. 2) Данные термического режима СТС за 2018-2019 гг. показывают, что промерзание СТС осенью 2018 года шло стремительно: с поверхности отложения начали промерзать 20 октября, а полное промерзание было зафиксировано уже 6 ноября, чуть больше, чем через 2 недели. В зимний период температура поверхности опускалась до -20°С, а вблизи подошвы СТС (100 см) – до -4°С. Оттаивание пород началось 5 июня, однако этому предшествовал период задержки оттаивания, связанный с фазовыми переходами (нулевая завеса), который начался 16 мая. Среднегодовая температура вблизи подошвы СТС (100 см при измеренной максимальной мощности 106 см) составила -1,3°С, а температура поверхности оказалась в пределах положительных значений: +0,16°С. Стоит отметить, что в предыдущие 3 года среднегодовая температура поверхности достигала как отрицательных (-1,6°С в 2015/16 гг.), так и более высоких положительных (+1,4°С в 2017/18 гг.) значений, а вариации температуры вблизи подошвы СТС были в пределах -0,2..+2,0°С. Подобные изменения, очевидно, связаны с погодными условиями, в первую очередь, со снежностью зим. Переход среднегодовой температуры верхних слоёв почвы через 0°С свидетельствует о том, что многолетнемёрзлые породы в районе исследований термически неустойчивы. Продолжение восходящего тренда среднегодовой температуры воздуха, прогнозируемое МГЭИК, вероятно, приведёт к интенсивному оттаиванию многолетнемёрзлых пород с поверхности. 3) В ходе проведения полевого этапа было обнаружено и описано 2 обнажения пластовых льдов. Залежь пластового льда в 5 км к югу от с. Лаврентия («залежь-1») вскрывалась на побережье, во вложенном термоцирке, прорезающем более старый, на высоте около 7 м н.у.м. Лёд чистый, практически без пузырьков, слоистый. Слои выдержаны по простиранию и имеют толщину 1-10 см. Прослои заполнены тёмно-сизым суглинком, иногда с включением дресвы или валунов. Видимая мощность пласта достигает 9 м, а ширина – 22 м. Пласт перекрыт тонким слоем (0,9-3,1 м) валунного суглинка, почти полностью оттаивающего к лету. В северной части разреза нижняя часть перекрывающего суглинка была в мёрзлом состоянии – вероятно, это фрагмент промежуточного горизонта, который успел сформироваться в период между формированием основного (первичного) криогенного оползня и образованием вложенного, обнажившего пласт льда. Залежь имеет, по-видимому, внутригрунтовый (инъекционный или инъекционно-сегрегационный) генезис. Пласт льда, обнажившийся в береговом термоцирке в 2,5 км к северу от с. Лаврентия («залежь-2»), имеет более скромные размеры: видимая мощность оставляет около 2 м, а ширина – около 10 м. Лёд также чистый, с небольшим содержанием включений. Слоистость выражена слабее, во льду присутствует меньше включений, чем в залежи-1. Пласт перекрыт двухметровой пачкой слабосортированного валунного суглинка серо-бурого цвета; ближе к кровле пласта суглинок меняет цвет на сизый. На верхнем контакте со льдом, отложения хоть и мёрзлые, но слабольдистые, что может говорить о прогрессирующем процессе оттаивания пород сверху в предыдущие тёплые сезоны. 4) В результате проведения тестовых буровых работ было пройдено 4 скважины: 3 в районе площадки Лаврентия и 1 в районе Лорино. Бурение проводилось с отбором керна диаметром 45 мм, максимальная достигнутая глубина 1,75 м. Грунты в районе площадки Лаврентия с поверхности сложены оторфованным суглинком, переходящим в чистый сизый суглинок, иногда с включениями обломков. Переходный слой хорошо фиксируется на всех скважинах, особенно на 2019-02 и 2019-03, где ниже подошвы СТС зафиксировано чередование прослоек торфа и суглинка со льдом. Отмечается, что в скважине 2019-03 с глубины 96 см и в скважине 2019-04 с глубины 63 см горизонты льда имели вертикальную структуру, что при первом приближении было интерпретировано как фрагмент ледяной жилы, однако изотопные данные (см. п. 6) опровергли эту информацию. Бурение осложнялось присутствием в ледниково-морских отложениях гальки и валунов (диаметром до 10 см), в результате чего происходило стачивание или отламывание зубьев ложки и непредвиденные ремонтные работы. Полученные навыки и сведения о грунтовых условиях позволят применить более эффективные решения при проведении буровых работ в полевой этап 2020 года. 5) Проведено обобщение полученных результатов; промежуточные итоги представлены на конференциях РЕЛЬЕФ И ЧЕТВЕРТИЧНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ АРКТИКИ, СУБАРКТИКИ И СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ (Санкт-Петербург, 12-13 декабря 2019 г.) и XIII Конгрессе Международного Географического Союза (Харьяна, Индия, 19-24 октября 2019 г.).
2 1 января 2020 г.-30 июня 2020 г. Восприимчивость многолетнемёрзлых пород приморских равнин Восточной Чукотки к современным климатическим изменениям (РНФ)
Результаты этапа: 1) Анализ изотопного состава кислорода из воды из скважин, пробуренных летом 2019 года, показал, что значения δ18O варьируют в пределах –11,5.. –14,0‰, при этом изотопный состав с увеличением глубины становится более лёгким (градиент примерно 2,0-2,5‰/м). Такое распределение может быть связано, с одной стороны, с фракционированием тяжёлых и лёгких изотопов кислорода в процессе сезонного промерзания-оттаивания пород. С другой стороны, оно объясняется миграцией более лёгких изотопов под действием температурных колебаний в промежуточном и переходном слое, в результате которых влажность верхних горизонтов многолетнемёрзлых пород увеличивается, по-видимому, в основном за счёт более лёгких изотопов. Резкие всплески на изотопно-кислородной кривой на глубинах 0,8-0,9 м (а в скважине 2019-03 ещё и на глубине 1,2 м), вероятно, связаны с проникновением летних, более тяжёлых в изотопном плане осадков во время сезонов с экстремально глубоким протаиванием. Выраженность пиков усиливается за счёт последующего истощения лёгких изотопов на этих глубинах в результате миграции в нижележащие горизонты. Таким образом, литологический состав керна вкупе с изотопными данными позволяют определить мощность промежуточного высокольдистого горизонта в указанных скважинах: для 2019-01 и 02 его подошва достигнута не была, а видимая мощность составила около 0,3 м и 0,4 м, соответственно; для 2019-03 забой скважины, вероятно, совпадал с его подошвой, а мощность составляла 0,5 м; для 2019-04 он находится на глубинах 0,6-0,9 м (мощность 0,3 м). 2) Сравнение состава стабильных изотопов кислорода из полученных кернов с другими залежеобразующими льдами, обнаруженными в регионе исследований, показали отчётливую разницу в значениях δ18O. Если для льда из скважин эти значения варьируют в пределах –11,5.. –14,0‰, то для жильных льдов δ18O колеблется в пределах –14,3..–18,0‰, для позднеплейстоценовых пластовых льдов вариации составляют –20,6..–22,4‰, а для голоценовых –16,2..–17,8‰. Изотопный состав залежи-2, обнаруженной в 2019 году, варьирует в пределах –18,2..–19,0‰ Единственный вид подземных льдов, для которых значения δ18O схожи со значениями из переходного горизонта – это сезонные инъекционные льды, однако они хорошо выражены в рельефе (в виде бугров) и обычно к концу летнего сезона полностью оттаивают. Таким образом, состав стабильных изотопов кислорода во льду промежуточного слоя заметно тяжелее, чем в других подземных льдах, что может использоваться в качестве диагностического признака при интерпретации данных кернового бурения. 3) Построена карта смещений поверхности района исследований за тёплый период 2019 г. Анализ данных показывает, что для большей части территории характерна просадка поверхности не более, чем на 4 см за сезон. В юго-восточной части карты (участок 1) отмечены точки с величиной просадок более 6 см. Вероятнее всего, на этой территории присутствуют залежи пластовых льдов, активно оттаивающих с поверхности вследствие увеличения глубин сезонного оттаивания. Примечательно, что этот участок находится в непосредственной близости от расположения залежи-1. Результаты анализа космоснимков также зафиксировали осадку дорожного полотна на аварийном участке дороги «Лаврентия-Лорино» (участок 2), который был отсыпан материалом с большой долей глинистых частиц и в течение летнего периода 2019 года подвергался деформациям. Поскольку ландшафтные особенности местности (наличие густого растительного покрова) приводят к потере когерентности в связи с сезонной динамикой, то участки изображения со значениями когерентности выше 0.6 представляют собой группы по несколько пикселей и занимают небольшой процент от размера радиолокационного изображения. По этой причине оказалось невозможным рассчитать значения смещения для всей территории (получить непрерывный растр, в ячейках которого содержится информация о величине деформаций поверхности). В этой связи было принято решение для каждой небольшой группы пикселей вычислять среднее значение смещений, а результат представлять в виде точечного слоя, где точка – центроид группы пикселей. 4) Полученные в результате обработки радиолокационных снимков значения осадки поверхности почвы в 2019 году хорошо согласуются с полевыми результатами измерений на площадке «Лаврентия». Это открывает дальнейшую возможность комбинирования указанных методов для разработки модели осадки грунта и проведения площадных оценок понижения поверхности в будущем в зависимости от сценариев изменения климата. На основе полевых измерений осадки поверхности, проведённых руководителем проекта на площадке «Лаврентия» в 2012-2019 гг. была получена зависимость удельной осадки (см/м) оттаивающих пород от глубины оттаивания. Она демонстрирует экспоненциальный рост осадки по мере приближения фронта оттаивания к кровле промежуточного слоя. Учитывая устойчивый тренд к росту мощности сезонноталого слоя, при достижении глубин 65-70 см начинается оттаивание кровли промежуточного горизонта, сопровождающееся удельной осадкой 11-13 см/м (самые верхние 3 точки в правой части графика). При этом наблюдаются компенсационные процессы, когда на следующий год после сезона с глубоким оттаиванием наблюдаются пониженные значения осадки (две точки справа ниже линии тренда). Буровые работы, планируемые в полевой этап 2020 года, позволят оценить вариации льдистости промежуточного горизонта и уточнить величины прогнозируемой осадки грунта. 5) Построена карта почвенно-растительного покрова, позволившая выделить участки, занятые влажной мохово-осоковой, сухой осоково-разнотравной и горной тундрой, а также дешифрировать водоёмы и участки без растительности. Разработанная в рамках составления карты методика позволит на 2 этапе реализации Проекта выполнить построение ланшафтной карты, включающей рельеф, имеющей более высокое пространственное разрешение и более детальную классификацию почвенно-растительных формаций
3 1 июля 2020 г.-31 декабря 2020 г. Восприимчивость многолетнемёрзлых пород приморских равнин Восточной Чукотки к современным климатическим изменениям (РНФ)
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".