XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование интенсивности таяния многолетней мерзлоты в поселке Тазовский и его окрестностях.
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Общие термины и понятия о вечной мерзлоте
Многолетнемерзлые породы (ММП) как непременный компонент природы в Северном полушарии Земли и почти на всех континентах появились около 2-х млн. лет назад. Площадь их распространения превышает четвертую часть всей суши земного шара, включая примерно 75 % территории Аляски и более половины территории Канады и России. В России общая площадь районов распространения многолетней мерзлоты равна 10,7 млн. кмᵌ, что составляет около 63,5 % от всей территории страны.
Основные закономерности распространения многолетнемерзлых пород изложены в работах: В.В. Баулина (1998), Б.А.Кудрявцева (1981), А.И. Попова (1953), М.И. Сумгина (1940), В.Т. Трофимова (1980), П.Ф. Швецова (1959), Н.А. Шполянской (1973) и др... И. Толстихин (1932) и Н.А. Цытович (1937) предложили следующее определение мерзлых пород (Кудрявцев, 1981): «Мерзлыми породами, грунтами, почвами называют породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние». П.Ф. Швецов (1941) предложил породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие льда, называть морозными. Из определения мерзлой породы видно, что лед в ней должен рассматриваться как породообразующий минерал. Поэтому к мерзлым породам (термокарсту) следует относить все горные породы, почвы и грунты, содержащие лед (Кудрявцев, 1981)[1].
Криолитозона - это верхний слой земной коры, характеризующийся устойчивой в течение многих лет отрицательной или нулевой температурой, обеспечивающей круглогодичное и длительное (не менее двух лет подряд) сохранение подземного льда. Верхнюю часть криолитозоны слагают многолетнемерзлые горные породы и подземные ледяные тела, образующие 12 мерзлую зону литосферы.
Многолетняя мерзлота, являясь продуктом климата, зависит от условий изменяющегося современного климата. В последние десятилетия в связи с глобальным изменением климата условия для сохранения мерзлоты становятся менее благоприятными. Со временем эти процессы приведут к сокращению площади вечной мерзлоты, часть которой либо протает полностью, либо перейдет в реликтовую форму и будет отделена от поверхности талым слоем.
Проблемы глобального потепления в арктической зоне Западной Сибири.
По материалам международного форума «Арктика — территория диалога» прошедшего 24-25.09.2013 года в г. Салехарде, большинство ученых считает, что процесс глобального потепления начался с 1985 года [1]. Этот факт подтверждается местными наблюдениями. В апреле 1986 года при установке вворачиваемых свай под опоры газопровода в районе речного порта в поселке Тазовский ЯНАО впервые был обнаружен 30 сантиметровый слой незамерзшего грунта-плывуна (подвижная смесь переувлажненных песка, глины и других включений) на глубине 0,7-0,8 метра от поверхности.
За прошедший период времени величина протаявшего верхнего слоя вечной мерзлоты принимает угрожающее значение, прежде всего для построек поселка. В последние годы было обнаружено, что в некоторых местах районного центра, где стекает большой объем талой воды, мерзлота оттаяла на глубину больше трех метров.
Г лубокое поверхностное таяние вечной мерзлоты приводит к разрушению зданий и сооружений в нашем поселке. По заключению межрайонной комиссии по эксплуатации зданий и сооружений (г. Новый Уренгой) 80% жилого и административного фонда поселка находится в аварийном или ветхом состоянии.
Фото 2. Аварийный дом по адресу ул. Пристанская 29
У этого здания присутствуют все виды разрушений основания. Кроме того, угол здания подмыл ручей. Угол здания давно «спрыгнул» со свай и покоится на самодельных подставках, которые медленно опускаются в размораживаемый летом грунт. Разрушенный угол аварийного дома по адресу ул. Пристанская29 поддерживается двумя подпорками.
П ри изучении влияния состояния вечной мерзлоты нельзя пройти мимо уродливых форм сараев, когда-то построенных для жителей близлежащих домов. Видимо неравномерности таяния, и загрузки каждого отсека сарая приводит к образованию разновеликой просадке деревянных свай. Образуется волнообразная просадка основания строения на размораживающихся летом грунтах.
Фото 4. Волнообразный сарай в районе аэропорта
Природно-климатические факторы внешне кажутся незаметными, но дальнейшее таяние мерзлоты на глубину 5-6 метров может привести к преждевременному разрушению новых зданий в капитальном исполнении. В случае дальнейшего потепления придется прибегнуть к искусственному замораживанию свайного основания любого сооружения в летнее время. А это приведет к значительному удорожанию коммуникабельных платежей для всех видов собственности.
Современные технологии мониторинга криосферы Западной Сибири.
Изучением состояния многолетней мерзлоты в нашем регионе занимаются в основном два научных центра: Институт криосферы Земли Российской Академии Наук г. Тюмень и кафедра экологии и природопользования Югорского государственного университета г. Ханты-Мансийск. В основу исследований состояния вечной мерзлоты на огромной площади Западной Сибири лег космический мониторинг, который позволяет по динамике состояния ландшафтов местности проследить за изменениями термокарстовых процессов в целом. Этот метод дает достаточно точную ландшафтную картину изменения поверхности земли и сравнительно косвенную оценку процессов происходящих в верхних слоях вечной мерзлоты в конкретной местности [1].
Для изучения процессов сезонного промерзания верхнего слоя оттаявшего грунта необходимы несколько иные методики и инструменты. Разработкой методики, проектированием и изготовлением устройства, позволяющих проследить за сезонным промерзанием верхних оттаявших слоев грунта и их размораживанием, будет всецело посвящена представленная работа.
Предпосылки создания методики инструментального анализа сезонного промерзания грунта.
Нам уже известно, что величина (мощность) протаявшего грунта в различных местах поселка доходит до 3 метров и более. Нам предстоит ответить на ряд важных вопросов. Как себя ведет оттаявшая толща грунта в зимнее время? Промерзает ли грунт до материковой мерзлоты или между сезонным морозным слоем и глубинной вечной мерзлотой остается слой незамерзающего грунта-плывуна? При каких отрицательных температурах происходит интенсивное промерзание грунта?
Чтобы ответить на эти вопросы необходимо создать мерзлотомерное устройство, позволяющее ежедневно следить за толщиной промерзания грунта или его оттаивания. В основу такого инструмента ложиться физическая способность мерзлого грунта быть диэлектриком, и на оборот, незамерзающий грунт является проводником электрического тока.
В 2013 году был изготовлен прибор, состоящий из пластиковой трубки и выведенными контактами, для фиксации состояния мерзлого грунта с помощью электрошокера.
Актуальность работы заключается в том, что инструментальным замерам поведения термокарста в принципе ни кто не занимался. Постоянно бурить мерзлый грунт довольно проблематично и затратно. Предлагаемый дистанционный способ мониторинга промерзания и размораживания верхних слоев грунта, позволяет проводить исследования, не выходя из помещения при любых климатических ситуациях.
Новизна работы состоит в том, что появляется инструмент для исследования очень важной проблемы влияния глобального потепления климата на поведение оттаивания многолетней мерзлоты в заполярной области Западной Сибири.
Цель и задачи проектной и исследовательской работы
Цель – исследовать динамику таяния вечной мерзлоты в поселке Тазовский и за его пределами со следующей постановкой задач:
1. Используя прибор–мерзлотомер, провести мониторинг состояния многлетней мерзлоты и сезонного промерзания вершнего слоя грунта.
2.Исследовать зависимость поведения оттаивания многолетней мерзлоты от среднемесячных зимних температури от количества выпавших летних осадков в поселкеТазовский.
3.Исследовать зависимость поведения оттаивания многолетней мерзлоты от среднемесячных зимних температури от количества выпавших летних осадков в тундре на въезде в село Газ-Сале.
Мониторинг состояния вечной и сезонной мерзлоты за исследуемый период.В сентябре 2013 года слой оттаявшего термокарста составлял 1 м 20 см. В скажину этой глубины был погружен первый экземпляр мерзлотомера. По его данным за зиму 2013-2014 года была составлена диаграмма поведения материковой вечной мерзлоты и сезонного промерзания грунта.
В зиму 2013-2014 годов слой незамершего грунта между сезонным промерзанием и материковой вечной мерзлотой составил 20 см. Следует отметить, что к октябрю 2014года слой протаявшеготермокарста составил 1 м 40 см. То есть, скорость таяния вечной мерзлоты за 2013-2014 гг. составила 20 см/год.
В зиму 2014-2015 годов слой незамершего грунта между сезонным промерзанием и материковой вечной мерзлотой составил 45 см. К октябрю 2015 года слой протаявшеготермокарста составил 1 м 60 см. То есть, скорость таяния вечной мерзлоты за 2014-2015 гг. осталась прежней 20 см/год.
В 2015-2016 годов результате очень теплой зимы (средняя температура зимы составила -16,1 ˚С) слойнезамершего грунта между сезонным промерзанием и материковой вечной мерзлотой составил 95 см. К октябрю 2016 года термокарст на исследуемом участке оттаял на 2 м. Скорость таяния вечной мерзлоты за 2015-2016 гг. составила 40 см/год.
В зиму 2016-2017 годов слой незамершего грунта между сезонным промерзанием и материковой вечной мерзлотой составил 115 см. К октябрю 2017 года слой протаявшеготермокарста составил 1 м 65 см. То есть, скорость таяния вечной мерзлоты за 2016-2017 гг. составила 20 см/год.
В зиму 2017-2018 гг слои незамерзающего грунта увеличились и составили 210 см. Скорость таяния вечной мерзлоты составила 55 см/год.
235
85
В зиму 2018-2019 гг слои незамерзающего грунта увеличились и составили 235 см. Скорость таяния вечной мерзлоты составила 35 см/год.
290
65
В зиму 2019-2020 гг слои незамерзающего грунта увеличились и составили 290 см. Скорость таяния вечной мерзлоты составила 20 см/год.
Исследование зависимости таяния термокарста от зимних среднемесячных температур окружающей среды.
Потепление климата в Заполярной зоне особо ярко выражается в среднемесячных температурах зимой. В последнее время мы не наблюдаем значительных по продолжительности отрицательных температур -40˚С и более. Сильные морозы появляются в короткое время (2-3 суток). Когда, 10 лет назад, они устанавливались на целые месяца. Значительное падение минусовых температур во временном промежутке приводит к интенсивному таянию поверхностного слоя вечной мерзлоты. Ниже приведены диаграммы зависимости оттаивания многолетней мерзлоты от средней температуры зимних месяцев.
Диаграмма таяния многолетней мерзлота с 2014 по 2018 годы.
-23.8
320мм
2019г.
Исследование оттаивания многолетней мерзлоты в тундре
на въезде в село Газ-Сале.
Заняться изучением оттаивания многолетней мерзлоты в тундровой зоне нас заставили следующие наблюдения. Было замечено, что интенсивность оттаивания многолетней мерзлоты в поселке зависит не только от среднемесячных зимних температур, от количества выпавших летних осадков и от скученности жилых строений. С крыш средоточенных в одном месте жилые и промышленные строения концентрируется большое количество стоков, которые увеличивают скорость таяния мерзлоты.
Оттаивание многолетней мерзлоты в открытой тундре значительно отличается от таяния замороженной грунтовой среды на территории поселка.
На въезде в село Газ-Сале с 2014 года возле термокарстовых озер наблюдается участок тундры, где ежегодно производился мониторинг величины таяния верхнего слоя многолетней мерзлоты.
Участок исследуемой тундры на въезде в село Газ-Сале.
Диаграмма зависимости таяния многолетней мерзлоты от величины летних
98см
2019г.
Общие выводы по исследовательской работе
В результате пятилетних наблюдений за состоянием оттаивания многолетней мерзлоты на исследуемых объектах можно сделать следующие выводы:
Общее потепление климата и проявляющейся в значительных измерениях среднемесячных зимних температур(-28,6◦С … -17,6◦С) вызывает недостаточное промораживание верхнего сезонного слоя, что и приводит к постоянному таянию не только в летнее время, но и в зимний период.
На оттаивание многолетней мерзлоты в тундре и в селе Газ-Сале в летнее время большее влияние оказывает количество выпавших осадков, чем возросшая температура окружающей среды.
Необходимо отметить, что наблюдаемая деградация многолетней мерзлоты на глубину до 3-х метров указывает на то, что на территории поселка Тазовский пройдена точка невозврата, когда в одну или несколько суровых зим вечная мерзлота не в состоянии восстановиться.
Было замечено, что интенсивность оттаивания многолетней мерзлоты в поселке зависит не только от среднемесячных зимних температур, от количества выпавших летних осадков и от скученности жилых строений. С крыш средоточенных в одном месте жилых и промышленных строения концентрируется большое количество стоков, которые увеличивают скорость таяния многолетней мерзлоты в поселке..
Не которые результаты исследования опубликованы в совместной с Югорским госуниверситетом статье «Экологические риски геоморфологических процессов на севере (Арктике). Работа по исследованию интенсивности таяния многолетней мерзлоты будут продолжены.
Литература
Брыксина Н. А. Диссертация: «НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДИНАМИКИ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ РАВНИНЫ». Томск. 2011г.
Вечная мерзлота (многолетняя мерзлота)geographyofrussia.com/vechnaya-...
Все о геологии :: Геокриология (мерзлотоведение)geo.web.ru/db/section_page.html?...копия
Казымова Л.А. «Проектирование, изготовление и установка дистанционного пробора мерзлотомера» Всероссийская конференция «Наука.Образование. Профессия» СПб 2015г.
Мерзлотоведение — Горная энциклопедияmining-enc.ru/m/merzlotovedenie…копия
Термокарст — Горная энциклопедияmining-enc.ru/t/termokarstкопия
Ткачев Б.П., Кунин С.А.ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА СЕВЕРЕ (АРКТИКЕ). Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. Ноябрь 2018 г.. https://applied-research.ru