Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 2, стр. 131-137

ВВЕДЕНИЕ

Углубление понимания эволюции криосферы Земли – одна из важнейших задач криологии. Динамика процессов в криосфере по своей интенсивности не сравнима ни с какими другими оболочками нашей планеты. Но в самой криосфере, состоящей из надповерхностного атмосферного слоя, поверхностного или гляциосферы и подповерхностного – криолитозоны, особенности процессов резко различаются. В решении сложной задачи вещественно-энергетических преобразований, влияющих на изменения жизненно важных условий для всей биоты Земли, значение строения, свойств и причин изменчивости во всех компонентах криосферы является абсолютно необходимым. В этом сообщении рассматриваются приповерхностные образования криолитозоны – полигональные торфяники, занимающие до 80% площади низких геоморфологических уровней севера Западной Сибири [1]. Они, как и другие виды отложений слоя сезонных колебаний температур, чувствительны к изменениям климата. Под воздействием климатических колебаний в нижней части сезонно-талого слоя (СТС) торфяников формируются переходный и промежуточный слои. Сведений о наличии и строении таких слоев в торфяных залежах, а также классификационных признаков для их выделения опубликовано мало. Высокую льдистость выделенной переходной зоны необходимо учитывать при прогнозе снижения кровли многолетнемерзлых пород (ММП). В ближайшие десятилетия переходный и промежуточный слои торфяников могут перейти в талое состояние, поэтому исследования их строения и свойств на фоне современного потепления остаются актуальной палеогеографической задачей.

В верхней части криолитозоны Восточной Сибири Ю.Л. Шур [2, 3] выделил переходную зону между ежегодно оттаивающим СТС и ММП, в которую были включены переходный и промежуточный слои. Переходный слой он отнес к нижней части СТС, который ежегодно не оттаивает, не менее трех лет находится в мерзлом состоянии и выполняет защитную роль для ММП. Промежуточный слой был отнесен к верхней части ММП, является реликтовым переходным слоем, фиксирующим увеличение глубины СТС за счет разных причин: изменения ландшафтно-фациальной обстановки или более продолжительного периода потепления климата [2]. Автором установлены следующие признаки промежуточного слоя в слоистых отложениях: криотурбированность, повышенная льдистость, специфические атакситовые, сложнослоистые, поясковые криогенные текстуры с преобладанием вертикальных шлиров льда, ростки в кровле повторно-жильных льдов и элементарные жилки за счет морозобойного растрескивания. На севере Якутии этот слой залегает как над жилами льда, так и над блоками грунта в полигонах, и по латерали малоизменчив. В торфяниках переходный и промежуточные слои не были выявлены [2]. Перечисленных классификационных признаков недостаточно для выделения переходного и промежуточного слоев в торфяниках и минеральных грунтах на Европейском Севере [4].

Сведения об особенностях строения переходного и промежуточного слоев в мощных горизонтах торфа на севере Западной Сибири в основном отсутствуют [5]. Поэтому вопрос отличительных особенностей для слоев, образующих буферную зону для ММП, остается актуальным.

РАЙОН, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Район исследований расположен на Пур-Тазовском междуречье (рис. 1а) в 20–40 км южнее пос. Тазовский. Он приурочен к 3-й озерно-аллювиальной равнине с абсолютными высотами 30–50 м, с многочисленными термокарстовыми понижениями с озерами и хасыреями [6]. Верхняя часть мерзлых толщ сложена четвертичными аллювиальными, озерными и озерно-болотными песками, супесями, суглинками и торфами. Полигональные торфяники в районе исследований распространены преимущественно в хасыреях, термокарстово-эрозионных ложбинах с остаточными озерами на поймах озер и малых рек. На севере Пур-Тазовского междуречья ММП имеют сплошное распространение. Глубина СТС в торфяниках в днищах хасыреев в среднем за период 50–80-х годов XX века составляла 0.4 м [7]. В связи с потеплением климата после 2000 г. глубина СТС увеличилась до 0.6 м [8, 9]. В полигональных торфяниках распространены полигонально-жильные льды с вертикальным размером более 4–5 м [10]. Жилы льда имеют гетерогенное строение, связанное с локальным протаиванием в ходе сингенетического промерзания озерно-болотных отложений в голоцене [11].

Рис. 1.

(а) схема расположения района исследования; (б) межгодовая динамика глубины протаивания на различных поверхностях: 1 – центральная поверхность полигонов, 2 – периферийная часть полигонов, 3 – межполигональные понижения.

В 2016 г. на площадках мониторинга Пур-Тазовского междуречья, расположенных в хасыреях с полигональными торфяниками, наблюдалось углубление СТС (от 0.53 до 0.56 м) на всех элементах рельефа (рис. 1б), обусловленное аномально теплым летним сезоном (рис. 1б). В последующие 2017–2019 гг. глубина СТС не достигла величины 0.51 м (среднее – 0.49 м). 2020 г. характеризовался самым длительным за 5 лет теплым сезоном, продолжительность которого составила 153 дня, тогда как в предыдущие годы – 124–144 дня. Глубина СТС на полигонах увеличилась и составила 0.58–0.59 м, а в межполигональних понижениях отмечены меньшие величины СТС – 0.51 м, за счет просадок торфа и частичного вытаивания льдов (рис. 1б).

Комплексные геокриологические исследования включали изучение строения разрезов мерзлого и талого торфа в полигонах и межполигональных понижениях над жилами в хасыреях, измерения глубины СТС, характеристику криогенных текстур, аналитические определения влажности и плотности торфа [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В 2017–2020 гг. в хасырее под полигонами и межполигональными понижениями над жилами изучены разрезы торфяника, в которых выделены слои различного строения: талые и мерзлые, с разной льдистостью и плотностью, с криогенными текстурами и включениями разных генетических типов льда.

В разрезе полигона (рис. 2) вскрыты снизу вверх: Слой 1. Торф автохтонный черный рыхлый из мхов с корнями осоки, слоистый за счет чередования мхов, корней, стеблей растений. Торф с глубины 0.75 м многолетнемерзлый с корковыми, линзовидными и массивными криогенными текстурами и горизонтально-волнистыми шлирами льда на глубине 1.8–2.0 м и 1.3–1.5 м (по данным 2019 г.), выше – талый (1а). Влажность торфа с корковыми, массивными криогенными текстурами составляет 1280–1600%, плотность – 0.95–0.96 г/см³; в торфе со шлирами льда влажность – 1238–1909%, плотность 0.98–0.99 г/см³. В талой части слоя (1а) влажность торфа уменьшается снизу вверх от 519 до 363%; плотность составляет внизу 0.54–0.59 г/см³, вверху 0.69–0.84 г/см³. Вскрытая мощность 1.3 м; Слой 2. Торф плотный коричневый из разложенных растительных остатков, слагает нижнюю часть СТС. Влажность меняется от 299 до 342%; плотность – 0.94–0.99 г/см³; мощность 0.3–0.35 м; Слой 3. Переслаивание торфа преобладающего рыхлого рыже-коричневого и плотного темно-коричневого. Толщина прослоев и линз торфа 1–8 см; слоистость в целом повторяет микрорельеф поверхности полигона: мелковолнистая, плавная с затеками и просадками, осложнена внедрениями вверх, т.е. криотурбациями. Влажность торфа меняется от 355 до 462%; плотность – 0.84–0.86 г/см³; мощность 0.15–0.2 м; Слой 4. Мохово-растительный слой, представленный рыхлым зеленым и серым отмершим мхом, внизу с корнями багульника и морошки; мощность 0.05 м.

Рис. 2.

1–4 – слои торфа (см. описание в тексте); 5 – граница ММП; 6 – границы: слоев торфа (а, б), верхнего промежуточного слоя (в), нижнего промежуточного слоя (г); 7 – номера слоев.

Разрез в межполигональном понижении шириной более 2.5 м над крупной ледяной жилой (рис. 3а) вскрыл снизу вверх: Слой 1. Торф многолетнемерзлый льдистый рыхлый автохтонный из мхов, стеблей трав, веточек кустарничков. Влажность мерзлого торфа вмещающего жилу льда от 558 до 1050%, плотность 0.89–0.94 г/см³; влажность торфа около линз и шлиров термокарстово-полостного льда от 1015 до 1842%, плотность от 0.93 до 0.98 г/см³. Вскрытая мощность 0.8 м; Слой 2. Торф плотный коричневый из разложенных растительных остатков, залегает в боковых стенках и выклинивается над жилой. Мощность от 0.25 до 0 м; Слой 3. Переслаивание торфа из мхов темно-оранжевого рыхлого и темно-коричневого плотного, в интервале глубин 0.4–0.55 м, мерзлый с горизонтально-волнистыми шлирами льда, корковыми, линзовидными и массивными криотекстурами, выше талый. Криотурбации в слое образованы волнистой плавной слоистостью, затеками и просадками, и инъекцией рыхлого торфа над центром жилы (в зоне более глубокого протаивания). Мерзлый темно-оранжевый торф имеет влажность от 599 до 4383%, плотность этого торфа от 0.91 до 0.96 г/см³. Темно-коричневый торф имеет влажность от 537 до 5430%, плотность 0.91–1.0 г/см³. Талый темно-оранжевый торф имеет влажность от 660 до 944%, плотность 0.82–1.04 г/см³. Талый темно-коричневый торф с влажностью 162–343% отличается большей плотностью 0.95–1.16 г/см³; в инъекции над серединой жилы коричневый торф имеет более низкую плотность 0.81–0.90 г/см³. Нижняя граница слоя неровная. Мощность 0.8 м; Слой 4. Почвенно–растительный слой представлен рыхлым мхом, лишайниками и отмершими серыми прослоями мхов с корнями. Мощность 0.05–0.2 м.

Рис. 3.

(а) разрез В8ж-20, (б) керн торфа. 1 – границы: верхнего промежуточного слоя (а), нижнего промежуточного слоя (б), переходного слоя (в); 2 – границы: слоев (а), льдов (б); 3 – граница ММП; 4 – номера слоев.

В разрезе торфа выделены полигонально-жильный, термокарстово-полостной и сегрегационный льды. Жила вертикально-полосчатого пузырчатого льда клиновидной формы с симметричными плечиками на боковых стенках имеет видимый вертикальный размер 1.2 м; ширину в кровле – 0.6 м; на уровне верхних плечиков – 1.1 м, на уровне нижних плечиков – 2.6 м. В верхние и нижние плечики жилы вложены линзы прозрачного стекловатого с пузырьками воздуха термокарстово-полостного и инфильтрационно-сегрегационного льда. К нижним плечикам жилы и линзам льда примыкают изогнутые шлиры прозрачного льда толщиной 10–11 см, залегающие в торфе полигона на глубине 0.85–1.15 м.

В центре полигона, в 50 м от изученного разреза, горизонт автохтонного торфа вскрыт скважиной на полную мощность – 4.4 м. Отложения в керне имеют хорошо выраженную слоистость по цвету, влажности и плотности, характерную для торфа полигонов (см. рис. 2). Зоны повышенной льдистости, изменения криогенных текстур и шлиры льда залегают в тех же интервалах глубин – 0.55–0.7 и 0.9–1.3 м (рис. 3б).

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные за 5 лет данные о свойствах и строении торфа, изменении глубины протаивания позволили выделить в разрезах торфяников элементы, соответствующие переходному и промежуточному слоям.

Переходный слой включает нижнюю часть СТС, которая не протаивала на протяжении 3 лет [2] (см. рис. 1б): торф мощностью 0.07 м в интервале глубин 0.51–0.58 м. В 2017–2019 гг. этот слой выделялся по криотурбациям, повышенной льдистости, включениям тонких шлиров и линз сегрегационного, инфильтрационно-сегрегационного льда. В 2020 г. вследствие теплого и раннего лета слой в основном полностью протаял. В межполигональных понижениях он включает талые отложения, которые выполняют пологую просадку над кровлей жилы, и фрагменты торфа (слой 3), сохранившиеся в мерзлом состоянии за счет меньшей глубины протаивания относительно полигонов. В разрезе полигона переходный слой выделяется только в мерзлом керне по желтовато-коричневому цвету торфа (слой 1а, см. рис. 3б), приобретенному в предшествующие протаивания за счет процессов окисления. Влажность талого переходного слоя в полигонах и межполигональных понижениях практически не различается, но отмечена меньшая плотность свежеоттаявшего торфа в межполигональном понижении за счет протаивания льда и оттока влаги (табл. 1).

Частичное протаивание современного переходного слоя, вызванное современными климатическими изменениями, проявляется в просадке отложений в межполигональных понижениях или в развитии процессов пучения на валиках полигонов. Большая глубина протаивания в термоэрозионных промоинах обусловлена лучшим прогревов стенок полигонов по сравнению с их центрами. В этом случае переходный слой частично или полностью протаивает и плохо выделяется аналитическими и визуальными методами. Так как глубина переходного слоя в протаявшем торфянике может варьировать в зависимости от динамики высоты поверхности, в качестве критерия для его выявления следует использовать данные мониторинга по изменению мощности СТС за предшествующие 3–4 года. В 2016–2018 гг. переходный слой в разрезах был представлен свежеоттаявшим торфом желто-коричневого цвета, более плотным за счет разложения растительных остатков в отличие от синкриогенного торфа.

Промежуточный слой. В пределах межполигональных понижений выделено два промежуточных слоя: 1) нижний на глубине 0.85–1.3 м, включающий слои 3 и 4; 2) верхний на глубине 0.55–0.7 м, представленный слоем 3. В пределах полигонов верхний промежуточный слой был выделен только в скважине в интервале глубин 0.55–0.7 м по наличию шлиров льда толщиной до 0.5–1.5 см (рис. 3б), в расчистках полигонов верхний промежуточный слой выделен не был, так как, скорее всего, вытаял. Нижний промежуточный слой выделен по наличию шлиров льда до 3 см на глубине 0.85–1.3 м.

К признакам промежуточного слоя в торфяниках отнесены: 1) Криотурбации, просадки и инъекции в пределах кровли мерзлого торфа. Формирование криотурбации происходило в результате цикличного промерзания и протаивания, уплотнения торфа и его деформаций. Просадки были вызваны неравномерным протаиванием сильнольдистого торфа и подземных льдов; в результате инъекции над центром жилы, торф, окружающий инъекцию, уплотняется и имеет большую плотность, чем на удалении. Торф в инъекции имеет меньшую плотность относительно вмещающих отложений, что связано с его разрыхлением во время выброса. 2) Нижний и верхний промежуточные слои имеют большую плотность (0.91–1.0 г/см³) и льдистость и по сравнению с синкриогенным торфом (плотность 0.89–0.96 г/см³), что связано с наличием крупных включений льда. Формирование выделенных промежуточных слоев происходило за счет перехода нижней более увлажненной части СТС в мерзлое состояние. 3) Включения следующих типов льдов: сегрегационных, термокарстово-полостных, конжеляционных, инфильтрационно-сегрегационных, повторно-жильных, формирование которых связано с неравномерным в пространстве локальным термокарстом и сингенетическим промерзанием на фоне колебаний природных условий в голоцене [11]. Уменьшение ширины ледяных жил за счет протаивания сбоку и просадок торфа происходило при потеплении и/или увеличении количества осадков, затоплении поверхности полигональных торфяников. После возобновления промерзания морозобойным растрескиванием в результате похолодания климата или осушением поверхности на фоне аккумуляции торфа формируются ростки и продолжается рост полигонально-жильных льдов. В промежуточном слое в пределах полигонов сегрегационные льды, в основном, образуют линзовидную, слоистую шлировую (поясковую) криогенные текстуры, в отличие от синкриогенного торфа с массивной и корковой криогенными текстурами. 4) Промежуточный слой в межполигональных понижениях отличается большей льдистостью, размерами включений льда, наличием термокарстово-полостных льдов и верхних частей повторно-жильных льдов, а также большей амплитудой криотурбаций, по сравнению с криотурбациями в разрезах полигонов, обусловленными неравномерными просадками. В промежуточном слое полигонов выражены субгоризонтальные шлиры льда, параллельные рельефу кровли мерзлоты при переходе СТС в мерзлое состояние.

Вытаивание переходного слоя при сохранении тенденции современного потепления может привести к вытаиванию льдистого промежуточного слоя и утрате буферной роли для ММП.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили установить признаки промежуточного слоя в торфяниках: криогенные текстуры, повышенная льдистость, включения льдов – сегрегационных, термокарстово-полостных, конжеляционных, инфильтрационно-сегрегационных и ростки полигонально-жильных льдов, а также выявить различия строения слоя в полигонах и межполигональных понижениях. Переходный слой на фоне потепления последних лет может быть выделен в результате многолетнего мониторинга глубины СТС, в мерзлом состоянии визуально отличается по желтовато-коричневому цвету и сегрегационным линзам льда.

По индикационным признакам в разрезах мерзлых торфяников можно выделять промежуточные слои – реликтовые буферные зоны, которые служат показателем изменений природных условий в полигональных системах ММП – температуры воздуха, увлажнения или затопления поверхности.