Водные ресурсы, 2021, T. 48, № 5, стр. 578-587

Юго-Восточная часть Большеземельской тундры

Авторы воспользовались возможностями студенческой геокриологической съемки, проводимой в рамках Учебной инженерно-геокриологической практики магистров геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, проводимой ежегодно в районе г. Воркуты на учебно-научном полигоне Хановей. На площади ~1 км² выполняется ландшафтная съемка, проводится бурение скважин с опробованием грунта, круглогодичные режимные термометрические наблюдения, а также специализированные гидрологические исследования. При ландшафтном картировании используются снимки космические и снимки с радиоуправляемого квадрокоптера “Mavic 2 Zoom”.

Характерная особенность региона – повсеместное распространение крупнобугристой (крупноблочной) структуры мезорельефа, основные части которой – поверхность блока и его склоны различной морфологии. Высота блоков составляет от 0.5 до 2 м при поперечных размерах 50–70 м на 25–45 м. На основных структурных элементах макрорельефа (водораздел, склон, речная долина) крупнобугристая структура различна.

Крупнобугристая структура на пологих склонах мусюров и приводораздельных котловин представлена отдельными разрозненными буграми, занимающими от 20 до 35% площади поверхности. Бугры разделены широкими и неглубокими ложбинами (средняя ширина 15–20 м) и имеют выраженную подсклоновую часть, склоны и собственно поверхность блока; иногда подсклоновая структурная часть отсутствует. В переходной зоне между блоками и ложбинами встречаются маленькие зарастающие озерки-лужи с фрагментами сфагновых сообществ. На дне водораздельных котловин и в речной долине преобладает крупнобугристо-западинный комплекс мезорельефа, представленный сочетанием крупнобугристых структур различных форм (средний размер 70–50 м на 25–40 м, высота 1.0–2.5 м), соединенных небольшими (1.5–4.0 м) и неглубокими (0.5–1.0 м) межбугровыми понижениями. В мезорельефе крупнобугристой структуры водораздельных котловин преобладают относительно невысокие равномерные боковые склоны, переходящие в неглубокие и неширокие межбугровые понижения. Присклоновые структурные части фрагментарны по берегам верховьев ручьев. Редкие бугры пучения и крупные торфяники, разделенные заболоченными понижениями, занимают небольшие площади по окраинам термокарстовых озер и озерков. Крупнобугристая структура в речной долине р. Воркуты наиболее выражена с преобладанием вытянутой формы блоков в сторону реки с общим уклоном 1°–2°.

Горы Северного Забайкалья

Второй район геокриологических исследований относится к Северному Забайкалью и включает в себя Чарскую межгорную котловину рифтового типа и обрамляющие ее горные хребты Удокан и Кодар, абсолютные высоты которых достигают соответственно 2200 и 3000 м. Днище котловины имеет абсолютные отметки ~700 м. Котловина заполнена преимущественно песками ледникового и водно-ледникового происхождения, причем мощность четвертичных отложений достигает 1 км. Тектоническое строение территории имеет блоковый характер. Глубинный тепловой поток весьма изменчив по территории [1], что совместно со сложной геокриологической историей, связанной с оледенениями и развитием подпрудных ледниковых озер, обусловило неоднородную мощность многолетнемерзлых толщ (ММТ). В пределах Чарской котловины описаны как обширные участки без многолетней мерзлоты (урочище Пески), так и аномальные мощности ММТ, достигающие 450 м [2]. Под водораздельными участками горных хребтов мощность ММТ достигает 900 м; мерзлота имеет сплошное распространение [8]. Температура горных пород на глубине проникновения сезонных колебаний в районе исследований также весьма изменчива в разных ландшафтах и меняется от –7 до +2°С [3].

Распространенность крупнообломочных отложений усложняет проходку скважин и шурфов на склонах, и авторы активно исследовали участки подрезки склонов автомобильными подъездными дорогами, прослеживая пути стока по хорошо слышимому с поверхности журчанию воды.

Юго-Восточная часть Большеземельской тундры

За историю развития рельефа и геокриологических условий сформировался широко распространенный в Большеземельской тундре крупноблоковый ландшафт (рис. 1). Блоки-бугры скованы высокотемпературной многолетней мерзлотой (среднегодовая температура на глубине проникновения сезонных колебаний близка к –0.5°С) со слоем сезонного оттаивания, который полностью промерзает зимой (рис. 2а). Отсутствие кустарничковой растительности приводит к уменьшению толщины снежного покрова на поверхности бугров, способствуя их выхолаживанию. В пределах межблочных понижений, напротив, зимнее промерзание с поверхности не достигает кровли ММТ благодаря аккумуляции снега, мощному органическому горизонту почвы и его высокой влажности (рис. 2б).

Рис. 1.

Характерный облик ландшафта Большеземельской тундры в районе ст. Хановей: а – космоснимок Google, б – перспективный снимок с квадрокоптера; 1 – минеральные бугры; 2 – межбугровые понижения; 3 – поймы рек и ручьев; 4 – термокарстовые озера и обводненные понижения.

Рис. 2.

Температурный режим грунта на разной глубине на возвышенных (а) и пониженных (б) участках рельефа.

Структура сети подповерхностного стока связана со структурой ландшафта. На приводораздельных участках, где уклон поверхности невелик и также невелика область аккумуляции стока, возникают небольшие округлые термокарстовые западины диаметром от 10 до 50 м, питающие полосы стока. Одна западина может давать начало нескольким полосам стока, расходящимся в разных направлениях. В настоящее время линейные размеры и влагосодержание таких котловин увеличиваются, о чем свидетельствует мелко-кочкарниковый рельеф их окраинных частей – берега котловин как бы разваливаются под отепляющим влиянием подповерхностных вод. В полосах стока обильно разрастается карликовая березка, что локально увеличивает снегонакопление и способствует растеплению поверхностных слоев почвы.

Ниже по рельефу на склонах долины в области транзита стока рисунок сети подповерхностного стока меняется с веерообразного на перистый. Несколько полос объединяются в одной осевой долине, к которой под прямым углом причленяются полосы стока, причем одна такая полоса стока может разгружаться одновременно в обе соседние осевые долины. Последние, как правило, достаточно глубоко вложены в окружающий рельеф и в отдельные периоды года могут иметь поверхностный сток. Индикатор присутствия поверхностного стока – резкая смена карликовой березки на тальник при уменьшении мощности органического горизонта.

В придолинной части уклон поверхности уменьшается, что способствует увеличению общей увлажненности, расширению и заболачиванию межбугровых понижений, развитию термокарста. В осевых долинах наблюдается постоянный поверхностный сток. Следовательно, в верхних частях склонов характер и структура рельефа определяют рисунок сети подповерхностного стока, тогда как в придолинных частях, напротив, именно обилие почвенной влаги – важный фактор развития крупноблочного ландшафта.

Разновозрастные термокарстовые явления, наблюдавшиеся Воркутинской мерзлотной станцией с 1936 г., свидетельствуют о наличии вековой тенденции растепления многолетней мерзлоты и уменьшения площади ее распространения в этом районе [4]. Изменение размеров мерзлых массивов по разрезу и по простиранию неминуемо должно было влиять на режим стока с территории. Этот вопрос остается недостаточно изученным, и в его разрешении необходимо учитывать наличие структуры каналов с переменной проницаемостью грунтов.

Несливающаяся мерзлота (участки, где ее кровля находится глубже сезонного промерзания) в межбугровых понижениях создает условия для продолжения питания поверхностных водотоков в воднокритический период из талого прослоя грунта, мощность и гранулометрический состав которого весьма изменчивы по площади. Частичное промерзание водоносных надмерзлотных таликов может создавать избыточный “криогенный” напор, распространяющийся вверх по склонам крупных бугров и локально приводящий к эжекции перенасыщенного водой грунта. Вероятно, именно так возникают многочисленные пятна-медальоны, полосами окаймляющие долины крупных полос подповерхностного стока.

Морфология ложбинной структуры стока определяется положением мерзлотных границ блоков-бугров и разделяющих их межбугровых понижений. Относительная площадь полос грунтового стока, по данным дешифрирования, составляет 15–25%, и это в целом соответствует геофизическим и термометрическим данным, полученным в результате мерзлотной съемки (рис. 3). Однако положение границ этих полос пока не обеспечено надежными ландшафтными индикаторами, а их динамика остается недоизученной, как и пространственные закономерности неоднородности условий фильтрации. Известны данные даже о новообразовании мерзлоты на фоне потепления климата [5].

Рис. 3.

Межгодовая динамика глубины сезонного оттаивания в пределах различных типов местности на участке Хан-овей.

Пространственная неоднородность грунтового стока требует учета при моделировании режима водного стока с территории. Летом, в частности, существует гетерогенная система фильтрации, при которой атмосферные осадки, попадая на блоки-бугры, частично стекают с их выпуклой поверхности, а частично – насыщают относительно тонкий СТС, в первой половине лета обладающий повышенной проницаемостью из-за остаточных макропор, наследующих сезонные криогенные текстуры. Большая часть атмосферной влаги насыщает межбугровые понижения. Коэффициенты фильтрации здесь невелики, но кровля мерзлоты залегает глубже 4 м, и, что самое важное, фильтрация продолжается круглый год. Водообеспечение грунтового стока в воднокритический период доказывается сохранением стока в ручьях – притоках р. Воркуты, что хорошо видно при анализе температурного режима в русле одного из них (рис. 4). Нулевая температура сохраняется в русле, несмотря на пятидесятиградусные морозы.

Рис. 4.

Зимняя динамика температуры на дне ручья – притоке р. Воркуты.

Отсутствие поверхностного движения воды в полосах стока и межбугровых понижениях объясняется хорошей водоудерживающей способностью и высоким коэффициентом фильтрации мощного органического горизонта [11]. Возникновение поверхностного стока возможно в период быстрого весеннего снеготаяния, однако в это время коэффициент поверхностного стока, вероятно, лишь очень локально >50%. Основная часть влагозапаса в снеге при снеготаянии расходуется на инфильтрацию в снежный покров и частично – на испарение с поверхности снега, которое может достигать от 20 до 30% суммарного влагозапаса [14, 15]. По данным наблюдений 1977–1979 гг. на стоковых площадках в долине р. Томсен (Канадский Арктический архипелаг), на слабонарушенной задернованной поверхности приводораздельного склона коэффициент поверхностного стока менялся от 3 до 26% при влагозапасе в снежном покрове от 200 до 300 мм и лишь за бровкой террасы, где суммарный влагозапас >700 мм, достигал 74% [12]. В летний период с оттаиванием сезоннопромерзающего слоя уровень грунтовых вод (УГВ) находится в органическом горизонте почвы, что обеспечивает высокую скорость фильтрации и ограничивает подъем УГВ выше дневной поверхности.

Горы Северного Забайкалья

Надмерзлотные воды СТС в пределах рассматриваемой территории повсеместно распространены и приурочены ко всем геолого-генетическим типам четвертичных отложений. Это преимущественно поровые воды с коротким периодом существования (от 3 до 6 мес.). Воды СТС движутся в виде струйчатых потоков по криогенному водоупору (гольцовый лед или мерзлые супесчано-песчаные отложения) или по скальному основанию. Потоки надмерзлотных вод СТС по мере своего движения переходят из элювиальных образований в образования склонового ряда, затем – в аллювиальные отложения, представляя собой в гидравлическом отношении единое целое, и имеют свободный уровень. Колебания уровня вод СТС обусловлены понижением криогенного водоупора по мере сезонного оттаивания и отепляющего действия атмосферных осадков. Частичная разгрузка надмерзлотных вод СТС происходит в местах перегибов склонов, у тыловых швов террас, а также в местах подрезки дорогами. В горно-таежном поясе это проводит к формированию небольших осенних наледей объемом до 10 м³.

Водный сток в этих районах формируется под влиянием процессов конденсации влаги в крупнообломочных отложениях и гольцового льдообразования весной и в первой половине лета. Процесс гольцового льдообразования начинается ранней весной при отрицательной температуре воздуха в дневные часы за счет радиационных оттепелей, вызывающих снеготаяние. При радиационном нагревании поверхности выступающих над снежным покровом обломков до положительной температуры снег при контакте с ними тает, а образующаяся вода затекает в пустоты и замерзает там в виде небольших гнезд, корочек или сосулек (так называемый “гольцовый лед”). В это же время происходит интенсивная аблимация льда на нижних поверхностях обломков в верхней части разреза СТС. В конце весны – начале лета верхние горизонты гольцового льда в СТС подтаивают и образующаяся вода затекает с последующим замерзанием в более глубокие горизонты курума, которые еще имеют отрицательную температуру. Таким образом, слой гольцового льда постепенно перемещается до глубины максимального сезонного оттаивания в данный год. В некоторых случаях, когда запасы холода в СТС превосходят тепловыделение замерзающей в куруме талой снеговой воды, дополнительное количество гольцового льда может сформироваться за счет первых весенне-летних дождей. Вследствие этого острота пика весеннего паводка смягчается.

Другой важный процесс, влияющий на водный сток в рассматриваемом районе, – конденсация влаги в грунте. По материалам работы экспедиции БАМ геологического факультета МГУ в 1983–1988 гг., в курумах формируется до 50 мм конденсационной влаги за летний сезон. Эта вода, соединяясь с водой оттаивающего в течении лета сезонного гольцового льда и влагой атмосферных осадков, промывает каналы, свободные от мелкозема в крупнообломочных отложениях, которые маркируются “на слух” по интенсивному журчанию воды, а также иногда по относительному понижению поверхности их тальвега благодаря суффозионному выносу обломочного материала и/или пониженному положению кровли ММТ (рис. 5).

Рис. 5.

Общий вид курума “Тещин огород” на правом борту руч. Клюквенного (хребет Удокан): 1 – курум; 2 – делювиально-солифлюкционный склон; 3 – полосы стока (фото Д. Сергеева).

Попытка оценить относительную площадь и геометрию таких полос концентрированного надмерзлотного стока привела авторов к неожиданному выводу, что эти полосы не приурочены преимущественно к курумам, но встречаются и на участках супесчано-песчаных солифлюкционно-делювиальных отложений, покрытых растительностью, включая лиственницу и кедровый стланик (рис. 6).

Рис. 6.

Разгрузка надмерзлотных вод по полосе промытых солифлюкционно-делювиальных отложений (фото И. Чесноковой).

В тех местах, где насыпи и полки дорог пересекают подобные полосы стока, легко возникают размывы, которые развиваются как с подгорной, так и с нагорной частей дорожного полотна (рис. 7). На самой дорожной насыпи при этом возникают просадки, обусловленные суффозионным выносом мелкообломочного материала. На участках дренирования вод подповерхностного стока легко возникают оползни-сплывы, связанные с локальным переувлажнением тонкого слоя почвы.

Рис. 7.

Размыв полотна и нагорного откоса дороги Удокан–Наминга в 2018 г. на участке их пересечения полосами подповерхностного стока (показаны стрелками) (фото Д. Сергеева).

Попытка определить геометрию подобных полос концентрированного стока на склоне показала кажущуюся хаотичность их путей. Структура стока оказалась не древовидной, некоторые потоки ветвятся вниз по склону, а затем сливаются вновь. Средний интервал между полосами по простиранию склона составляет 30 м, при этом интенсивные потоки чередуются с относительно маловодными.

Важное следствие неоднородности грунтового стока в подгольцовом поясе – увеличение скорости дренирования атмосферных осадков из-за увеличения скорости стекания в полосах крупнообломочного материала. Одновременно это приводит к ускоренному распространению загрязняющих веществ при очень слабой естественной защищенности надмерзлотных вод от загрязнения с поверхности при освоении территории.