Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 1, стр. 87-91

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие в Арктике, в том числе в южной тундре Западной Сибири, происходит активизация криогенных процессов. В торфяниках хасыреев Пур-Тазовского междуречья особенно широко распространены процессы термокарста по полигонально-жильным льдам и термоэрозия. В 2016–2019 гг. на поверхности торфяников были обнаружены и изучены органические пятна-медальоны. Причины и условия образования органических пятен-медальонов отличаются от известного механизма образования минеральных пятен-медальонов, связанных с промерзанием сезонно-талого слоя (СТС) [1]. Был предложен новый механизм формирования органических пятен-медальонов в торфяниках, связанный с увеличением глубины СТС и накоплением газа в оттаявшем многолетнемерзлом торфе. Локальное понижение кровли многолетнемерзлых пород (ММП) и увеличение мощности СТС в полигональных торфяниках хасыреев, впервые зафиксированное в 2016 г., было спровоцировано теплым и сухим летним периодом. Инъекции органической массы на поверхность в теплый сезон были вызваны ростом давления в локальной замкнутой системе свежеоттаявшего торфа, границы которой образуют верхняя реликтовая и нижняя современная границы СТС [2]. Полигональные торфяники занимают обширные пространства тундры Арктической зоны России, поэтому весьма актуален прогноз развития озерного термокарста за счет нарушений растительного покрова и локального увеличения СТС на фоне современных изменений климата.

Одним из методов изучения активности криогенных процессов является дешифрирование результатов аэро- и космосъемки разных лет [3], в настоящее время развивается дистанционный мониторинг с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [4]. Для детальной съемки БПЛА в летний период необходимо определение индикатора локальных изменений глубины сезонного протаивания торфяников.

РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЯ

В пределах III озерно-аллювиальной равнины изучены полигональные торфяники хасыреев, расположенных в северной части Пур-Тазовского междуречья (рис. 1а). Среднегодовая температура воздуха в районе исследования за период с 2005 по 2019 гг. составляла –6.7°С [5], что на 2.6°С выше относительно холодного периода до 1989 г. [6]. Средние летние температуры воздуха за период 2016–2019 гг. были выше, чем в 1969–1989 гг. (9.3°С) на 0.4–2.9°С, летняя сумма осадков незначительно уменьшилась на 30–150 мм по сравнению с предшествующим периодом – около 250–350 мм (рис. 2) [7]. Район относится к подзоне южной тундры с температурой многолетнемерзлых пород от 0 до –1.0°С и понижается до –1.5°С на выпукло-бугристых торфяниках. Глубина СТС для торфяников в среднем составляет 0.4 м [6].

Рис. 1.

Расположение района исследования (а), опорные участки исследований торфяников в хасыреях (б). 1 – опорные участки исследования.

Рис. 2.

Глубина СТС на разных элементах микрорельефа торфяника 1. 1 – сумма летних осадков; 2 – средние летние температуры воздуха; Глубина СТС: 3 – в центральной части полигонов; 4 – в периферийной части полигонов; 5 – в межполигональных понижениях.

В северной части Пур-Тазовского междуречья изучено 4 хасырея с абсолютными отметками поверхности 6–9 м и полигональными торфяниками (рис. 1б). В пределах хасыреев выделены зоны с четким полигональным рельефом и плоские, заболоченные ложбины стока, приуроченные к перегибам поверхности высокой террасы и плоских днищ, к насыпям дорог с водопропускными трубами. Черные органические пятна-медальоны на поверхности торфяников распространены неравномерно. На выпуклых и плоских полигонах они приурочены к понижениям между кочками или между мелкими бугорками на валиках. На краях полигонов черные органические пятна сползают вниз в межполигональные понижения.

Торфяник 1, нарушенный дорожной насыпью, характеризуется активным термоэрозионным разрушением полигональной системы [8]. Торфяник 2, ограниченный автомобильной дорогой и озером, характеризуется участками плоскобугристого полигонального рельефа, которые разделены ложбинами стока; на полигонах преобладает кочковатый микрорельеф с полигональными ваннами и валиками по периферии, местами полигоны полностью заросли кустарником. Торфяник 3 расположен на удалении от дорог, отличается интенсивными просадками поверхности над протаивающими ледяными жилами. Торфяник 4 расположен на удалении от грунтовых насыпей в бессточном хасырее. Полигоны торфяника окружены глубокими промоинами с застойной водой над вытаивающими ледяными жилами. Торфяники 3 и 4 не имеют техногенных нарушений и являются фоновыми для проведения мониторинга.

На всех элементах микрорельефа торфяников в 2016–2019 гг. была измерена глубина СТС: в центральных и периферийных частях полигонов, под органическими пятнами-медальонами, в увлажненных, переувлажненных и затопленных водой межполигональных понижениях. Глубина СТС на нарушенном торфянике 1 изменялась от 42 см в межполигональных понижениях до 56 в периферийных частях полигонов. Наибольшие значения отмечены летом 2016 г., характеризующимся аномально высокими температурами воздуха. В периферийных частях полигонов СТС был на 6% глубже, чем на других поверхностях, поскольку межполигональные понижения не были заполнены водой. В 2017–2019 гг. уменьшение глубины СТС выявлено для всех элементов микрорельефа торфяника. В особенности, в межполигональных понижениях уменьшение составило до 16% за счет уплотнения слоев торфа, что связано с относительным понижением средней летней температуры (рис. 2). На торфяниках 3 и 4, не подвергшихся техногенному влиянию, глубина СТС в 2018–2019 гг. на поверхностях полигонов и их периферийных частях была выше на 12–14% относительно полигональных понижений.

При сравнении глубины СТС на фоновых и нарушенных полигональных торфяниках выявлено, что она отличается в среднем на 4%. Наименьшее протаивание выявлено на полигонах, наибольшее – в периферийных частях полигонов, что приводит к оползанию торфа и расширению межполигональных промоин.

Черные органические пятна-медальоны на поверхности полигонов перекрывают мохово-травянистый и лишайниковый растительный покров по наблюдениям в 2016–2019 гг. Глубина СТС под органическими пятнами в эти годы была меньше на 5–10 см – до 20% по сравнению с окружающей поверхностью полигонов [2]. Увеличение темноокрашенной поверхности, за счет образования новых пятен-медальонов на торфяниках, приводит к неравномерному прогреву [9] и увеличению глубины СТС на полигонах и, вместе с расширением межполигоналных промоин, способствует развитию просадок и термокарста.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для полигональных торфяников опорных участков получены оптические данные дистанционного зондирования с использованием съемки с БПЛА за два временных среза (1–7 июля и в период максимального протаивания 12–15 сентября 2019 г.). Материалы съемок обработаны в программе Agisoft Metashape Professional и представлены в виде ортофотопланов с разрешением ∼0.02 м. Общая площадь пересечения летних и осенних съемок 4 отдельных площадок торфяных массивов составила около 0.4 км². Для каждого участка в результате наблюдений на местности выявлены черные пятна-медальоны, что позволило выполнить сравнительный анализ полученных разновременных ортофотопланов.

В результате по сентябрьским ортофотопланам было выявлено 14 новых пятен-медальонов: 7 – на нарушенном и 7 – на фоновых участках; а по июльским данным пятна-медальоны в этих точках отсутствовали. Наиболее однозначно пятна выделены на поверхности торфяника 4, благодаря их большим размерам и отсутствию техногенных нарушений. Пятна имеют округло-овальную форму и размеры: 40 × 47, 50 × 80, 12 × 16, 24 × 25 см (рис. 3). Наличие пятен на сентябрьских данных с БПЛА и их отсутствие на более ранних июльских однозначно указывают на формирование органических пятен-медальонов именно в летний период между датами съемки.

Рис. 3.

Фрагменты ортофотопланов, построенных на основе съемок с БПЛА для Торфяника 4: а – 01.07.2019, б – 15.09.2019 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате 4-летних наблюдений за изменением поверхности полигональных торфяников в южной тундре Пур-Тазовского междуречья выявлено образование черных органических пятен-медальонов, перекрывающих растительный покров. Установлено, что образование черных пятен-медальонов сопровождается локальным увеличением глубины сезонного протаивания до 20% на фоне увеличения летних температур воздуха. С помощью разновременных съемок с БПЛА доказано, что органические пятна-медальоны образуются в летний период. Органические пятна-медальоны на поверхности и инъекции в разрезах полигональных торфяников обусловлены повышением летних температур воздуха и являются следствием неравномерного локального понижения кровли многолетнемерзлых пород. Пятна-медальоны могут служить дистанционным индикатором (при мониторинге с БПЛА) увеличения глубины СТС в полигональных торфяниках на фоне современного потепления климата в труднодоступных районах Арктики.