Развитие экзогенных геологических процессов при техногенезе: на примере Надымского района Тюменской области

Актуальность работы.

В настоящее время происходит дальнейшее освоение равнин криолитозоны России, в первую очередь ее северных районов. Тенденция вовлечение в активную экономическую жизнь этих ранее мало использовавшихся районов Арктики и Субарктики, богатых сырьевыми ресурсами, будет сохраняться и в будущем. Природные комплексы Арктики и Субарктики крайне уязвимы и неустойчивы по отношению к техногенным воздействиям. Восстановление нарушенных природных комплексов происходит с различной скоростью в северных районах, но значительно медленнее, чем в умеренных широтах, причем в ряде случаев нарушенные природные комплексы не восстанавливаются. Деградация северных природных комплексов будет иметь непредсказуемые последствия в глобальном масштабе (Российская Арктика., 1996). Для сохранения природы Арктики и Субарктики и обеспечения надежности эксплуатации объектов в ее пределах, безусловно, необходима информация о состоянии природных комплексов на территориях нового освоения и данные об их изменениях под влиянием техногенеза, полученные для ранее освоенных северных районов. Большую практическую ценность представляет анализ результатов длительных стационарных наблюдений за динамикой развития природных и природно-техногенных комплексов в ранее освоенных районах, в том числе анализ результатов наблюдений за развитием экзогенных геологических процессов. Особенно важно выявить естественную и техногенную составляющую перестройки природных комплексов, происходившую в условиях потепления климата, отчетливо прослеживаемого в 1970;1990 гг.

Диссертационная работа посвящена выявлению интенсивности и тенденций развития заболачивания, термокарста и многолетнего пучения в естественных и нарушенных природных комплексах. Нарушенные природные комплексы изучались вдоль трассы магистрального газопровода Надым-Пунга. Мониторинг проводился с момента прокладки трассы (1972 г.) и продолжается по настоящее время. До начала мониторинга в 1970 г. выполнялась ландшафтная и инженерно-геокриологическая съемка полосы трассы проектируемого газопровода.

Проведенные исследования позволили установить закономерности распространения и развития процессов, сделать прогнозную оценку их развития, оценить влияние изменения климата на интенсивность и направление развития процессов, сравнить особенности развития процессов в природных и природно-техногенных комплексах. Эти данные позволили дополнить и уточнить карту природоохранного районирования геологической среды Западно-Сибирского нефтегазового комплекса, масштаба 1: 1000 000, составленную в 1989 г. коллективом авторов под руководством Е. С. Мельникова и Н. Г. Москаленко (1988). Цель и задачи работы.

Цель работы — оценить интенсивность и тенденции развития ведущих экзогенных геологических процессов северной тайги: многолетнего пучения, термокарста, заболачивания на основе многолетнего мониторинга, для оценки устойчивости природных комплексов озерно-аллювиальных равнин к техногенным воздействиям.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Изучить природные условия, влияющие на развитие процессов многолетнего пучения, термокарста и заболачивания.

2. Изучить тенденции и интенсивность процесса пучения в естественных условиях.

3. Изучить тенденции и интенсивность процесса термокарста в естественных условиях.

4. Изучить тенденции и интенсивность процесса заболачивания в естественных условиях.

5. Оценить влияние техногенных нарушений на тенденции и интенсивность процессов пучения, термокарста и заболачивания для оценки устойчивости природных комплексов к техногенным воздействиям.

Личный вклад и методы исследования.

Фактический материал, послуживший основой для данной работы, собран автором в 2000;2005 гг. на стационаре «Надымский», расположенном в 30 км южнее г. Надыма (65° 18' с.ш., 72° 51' в.д.) на территории Надымского района Тюменской области.

Автором была поставлена задача оценить величину пучения, для решения которой были выполнены измерения на стационарных профилях, пересекающих нарушенные природные комплексы, методом ежегодной нивелировки марок от глубинного репера. Для изучения тенденций развития термокарста применен расчетный метод. По результатам дешифрирования автором были оценены тенденции заболачивания в естественных условиях (космоснимки масштаба 1:75 000, залеты 1989,2004 гг.) и в нарушенных условиях вдоль трассы газопровода (аэроснимки 1:5000, залеты 1977,1987 гг.). Климатические факторы анализировались за 40 лет по данным метеостанции «Надым». Анализировались и обобщались материалы по пучению, мониторингу природных комплексов и растительности, измерениям температур пород в скважинах, глубинам сезонного оттаивания, по ландшафтной и инженерно-геокриологической съемке района исследований и трассы газопровода, полученные в 19 701 999 гг. А. Н. Козловым, JI.H. Крицук, Е. С. Мельниковым,.

H.Г.Москаленко, B. JI Невечерей и Ю. Л. Шуром. Научная новизна работы.

I. Впервые проведен анализ результатов мониторинга многолетнего пучения минеральных, торфяно-минеральных, торфяных бугров и плоскобугристых торфяников за 30 лет. Выявлена зависимость интенсивности пучения от суммы температур холодного периода и количества зимних осадков, позволяющая определить тенденцию развития процесса в естественных условиях. Установлено что, несмотря на повышение температур воздуха в 1966;1997 гг., в естественных условиях: а) продолжался рост старых бугров пучения, б) появлялись и росли новые бугры пучения, в) развивалось пучение плоскобугристых торфяников. После 1997 г. интенсивность процесса пучения снизилась.

2. Установлено, что в естественных условиях термокарст не развивался даже в наиболее теплые летние сезоны 1991 и 2003 гг., благодаря тому, что зимой тепловая осадка сменялась пучением.

3. Впервые расчетным методом получены данные по тепловой осадке для бугров пучения и плоскобугристого торфяника, произошедшей за период с 1971 по 2005 г. г. в естественных условиях за счет увеличения глубины протаивания. Установлено, что тепловая осадка достигает значительных величин только на торфяно-минеральных буграх пучения при значительной мощности торфа.

4. Составлены и проанализированы карты природных комплексов на разные временные срезы. В естественных условиях выявлено: а) увеличение площади болот на двух (из трех) геоморфологических уровнях, свидетельствующее об усилении заболачивания, вызванном увеличением количества летних атмосферных осадков, причем на II надпойменной террасе, сложенной талыми породами расширение площади болот происходит за счет сокращения площади лесовб) отсутствие изменений площади болот в поймах рек, обусловленное лучшими, чем на других геоморфологических уровнях условиями для стока болотных вод в реку.

5. Для бугров на техногенно нарушенных территориях с затрудненным подтоком воды установлены три этапа посттехногенного развития: 1) тепловая осадка- 2) стабилизация- 3) пучение.

6. Установлено, что на III озерно-аллювиальной равнине приращение площади болот в 3 раза выше в нарушенных условиях, чем в естественных условиях.

7. Составлена карта природоохранного районирования на экспериментальный участок на базе нового подхода к оценке устойчивости природных комплексов, учтена большая контрастность в активности экзогенных геологических процессов.

Защищаемые положения.

1. Бугры пучения на озерно-аллювиальной равнине в северной тайге Западной Сибири развиваются в настоящее время, т. е. не являются реликтовыми формами, и подъем их поверхности за 30 лет составил 30−70 см, а максимальный подъем происходил в наиболее холодные зимы 1999, 2001 гг.

2. Выделяются три этапа в посттехногенной истории развития торфяных бугров пучения: 1) тепловая осадка- 2) стабилизация, 3) пучение, которые сменяются по мере восстановления растительности.

3. Термокарст вне зоны техногенеза в современных климатических условиях не активен. Несмотря на увеличение глубины оттаивания за 30 лет тепловая осадка в естественных условиях составляет от 4 мм до 36 см. В условиях техногенеза термокарст развивается активно в течение первых 2, 5- 3 лет, тепловая осадка при этом достигает 83−100 см.

4. В естественных условиях увеличение площади болот, составляющее 2 -9% за 30 лет происходит за счет увеличения количества летних атмосферных осадков. При техногенезе заболачивание значительно интенсивнее и происходит как за счет увеличения количества летних осадков, так и за счет нарушения поверхностного стока и затопления в результате прокладки газопровода.

5. Детализирована карта природоохранного районирования бассейна Надыма за счет выделения неустойчивых участков в пределах среднеустойчивых и слабоустойчивых районов. Это позволяет учесть реакцию не выраженных в масштабе карты бугров пучения, на техногенные нарушения. Практическая ценность результатов работ.

Результаты исследований могут быть использованы при планировании освоения и проектировании линейных сооружений на озерно-аллювиальных равнинах Западной Сибири. Выполненная оценка величины осадки для разных ландшафтных условий представляет непосредственный практический интерес для проектировщиков.

Карта природоохранного районирования позволит рационально распределить объем природоохранных мероприятий, сконцентрировав его в наименее устойчивых районах и, тем самым, снизить расходы на строительство и эксплуатацию сооружений, минимизировав при этом воздействие техногенных нарушений.

Публикации и апробация работы.

Основные результаты проведенных исследований представлены в 14 публикациях и главе монографии «Антропогенные изменения экосистем Западно-Сибирской газоносной провинции». Материалы работы доложены на 10 конференциях: на Второй и Третьей конференциях геокриологов России в 2001 и 2005 г. г.- Международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения в Пущино, 2003; Всероссийской конференции с Международным участием «Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов», в Архангельске, 2004; Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, 2004; Международной конференции «Приоритетные направления в изучении Криосферы Земли», Пущино, 2005; Второй Европейской конференции по вечной мерзлоте в Потсдаме в Германии, 2005; на симпозиуме «Проблемы инженерно-геологического обеспечения строительства объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне», в.

Москве в ПНИИИС, 2005; Всероссийской конференции «Оценка и управление природными рисками» в Москве, 2006; Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения» в Тюмени, 2006. Структура и объемы работы.

Диссертация изложена на 139 страницах, иллюстрирована 44 рисунками, включает 14 таблиц и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 101 наименования.

ВЫВОДЫ.

1) Установлено, что в Надымском районе с 1971 г. происходило увеличение глубины протавания грунтов, обусловленное потеплением климата, которое отчетливо прослеживается с 1966 г до 1997 гг.

2) Выявлено что, несмотря на повышение температуры ММП, в естественных условиях происходит образование новых и рост старых миграционных бугров пучения, имеет место пучение плоскобугристых торфяников.

3) Установлено, что подъем поверхности бугров и торфяников происходит скачкообразно в наиболее холодные зимы.

4) Доказано, что рост бугров пучения проявляется по площади неравномерно, устойчивый подъем характерен для центральных частей бугров, склоны пульсируют. Пучение плоскобугристых торфяников более равномерное.

5) Выявлено что, отсутствие заболоченных ложбин стока, водоемов, а значит и талых водонасыщенных пород под ними, близ бугра, служит признаком замедления его роста.

6) Установлено что, в условиях Надымского района, при снятии растительного покрова и части почвенного горизонта на буграх пучения начинается осадка, завершающаяся через 2,5 года, после чего начинается восстановление растительности и пучение возобновляется.

7) Выявлено что, несмотря на отмечавшееся до 1997 г. потепление климата и, прежде всего, увеличение суммы летних температур воздуха, которое продолжается, а также увеличение с 1988 г. количества летних осадков, заметной активизации термокарста в естественных условиях не произошло. В нарушенных условиях термокарст — опасный процесс.

8) Установлено, что под влиянием потепления климата и увеличения глубины протаивания отложений на буграх и торфяниках в летнее время развивается тепловая осадка, которая зимой сменяется пучением. Величины осадок, определенные расчетным путем, -незначительны, особенно на плоскобугристых торфяниках, вследствие незначительного увеличения глубины протаивания за период наблюдений.

9) Установлено расчетным и экспериментальным путем, что тепловая осадка в нарушенных условиях на торфяно-минеральных и торфяных буграх пучения, сложенных с поверхности льдистым торфом значительна (может достигать 1 м).

10) Выявлено, что в естественных условиях происходит увеличение площади болот на II надпойменной террасе Надыма (за счет заболачивания лесов) и III озерно-аллювиальной равнине (за счет разрастание мочажин на торфяниках и тундрах и зарастания озер) под влиянием увеличения количества летних атмосферных осадков.

11) Увеличение площади болот в нарушенных условиях для территории, прилегающей к газопроводу в 3 раза больше, чем было получено по материалам дешифрирования для естественных условий III озерно-аллювиальной равнины.

12) Участки развития крупнобугристых торфяников должны выделяться на природоохранной карте как неустойчивые к техногенезу, т.к. при снятии растительности и части почвенного слоя на них сменяя друг друга по времени происходит развитие опасных для сооружений криогенных процессов.

13) Доказано, что на карте природоохранного районирования масштаба.

1: 1000 ООО, должны быть выделены участки развития крупнобугристых торфяников, чтобы учесть их реакцию на техногенные нарушения.