«Эволюция криосферы Земли и ее компонентов при естественных и техногенных изменениях окружающей среды»НИР

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. «Эволюция криосферы Земли и ее компонентов при естественных и техногенных изменениях окружающей среды»
Результаты этапа: Эволюция криосферы Земли и ее компонентов рассматривалась в единстве прошлого, настоящего и будущего криосферы, применялся широкий спектр полевых, дистанционных, лабораторных исследований и моделирования. Продолжены лабораторные исследования изотопного состава воды и льдов в составе дисперсных грунтов. Предложены новые методы и подходы к изучению гранулометрического и морфологического состава криогенных пород. Установлено, что при взаимодействии воды с грунтами, ее миграции и льдообразовании при промерзании происходит фракционирование изотопов, зависящее от состава грунта и условий промерзания. Доказано, что связная вода в дисперсных грунтах по своему изотопному составу легче, чем свободная вода в поровом пространстве. Продолжалось изучение крупных залежных льдов разного типа в пределах арктического шельфа и арктических и субарктических равнин. Выявлены существенные различия между западным и восточным секторами Российской Арктики по преобладающему распространению генетических типов льдов. Реконструировано неодинаковое геологическое развитие в плейстоцене двух секторов Арктики. Исследована структура континентальной и субаквальной криолитозоны, заключающийся в использовании информации по изотопному составу кислорода и метану для интерпретации и структурирования криолитозоны. И установлено, что при переходах от одного структурного элемента мерзлой толщи к другому происходит скачкообразное изменение содержания метана. Продолжены начатые в 2004 г. режимные исследования динамики сезонного протаивания грунтов (в рамках Международной программы CALM – Циркумполярный мониторинг деятельного слоя) на опытных стационарах близ Талнаха (юг Таймыра) и в пос. Лорино (Чукотка). Рассмотрены различия и сходство в формировании ледников альпийского и сибирского типа. Показано, что качественных различий между ними нет; имеющиеся различия (роль в их строении инфильтрационно-конжеляционного льда) лежат исключительно в количественной плоскости. Получены первые абсолютные датировки ледниковых отложений Тянь-Шаня по космогенным изотопам. Оценены изменения площади оледенения массива в Ак-Шыйрак 2003-2013 гг. Установлено, что в 2013 г. площадь оледенения массива Ак-Шыйрак составила 351,2 км2. В 2003-2013 гг. оледенение массива Ак-Шыйрак сократилось на 21,9 км2 или на 5,9%. Сокращение площади сопровождалось отступанием ледников, составившим в 2003-2013 гг. 110 м в среднем для всех ледников массива значение параметра формы f=0,6 (Криосфера Земли, 2014). Продолжен гляциологический мониторинг цирка ледника Колка – зоны зарождения Кармадонской ледниковой катастрофы 2002 г. (Республика Северная Осетия Алания). Установлен факт аномально быстрого восстановления ледника Колка на фоне неблагоприятных условий для Кавказского оледенения. Выявлены ведущие факторы устойчивости ландшафтов к проявлению криогенных процессов в пределах субарктической и бореальной криолитозоны, процедура их сопоставления с целью выведения интегральных оценочных индексов для последующего ранжирования по уязвимости к освоению и составления оценочных ГИС-карт. Проведены исследования влияния температурных неравномерностей природно-технической системы земяляного полотна на её свойства и устойчивость в различных регионах криолитозоны. Расчетами и натурными наблюдениями оценена эффективность различных методов управления температурным режимом вечномерзлых оснований на застроенных территориях. Установлено, что наиболее широко распространенный метод понижения температуры – устройство холодных проветриваемых подполий – недостаточно эффективен в регионах с холодным континентальным климатом (Якутия, внутренние районы Магаданской обл. и др.). Для Норильского региона апробированы новые приемы по замораживанию таликов, в частности, за счет устройства горизонтальных естественно вентилируемых трубчатых систем, включаемых в плитный фундамент (функция охлаждения и одновременно – армирования, т.е. обеспечения жесткости конструкции). Проанализировано нарастание рисков и причины деформирования объектов в крупнейших городах криолитозоны России.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. «Эволюция криосферы Земли и ее компонентов при естественных и техногенных изменениях окружающей среды»
Результаты этапа: На основе новых фактических данных проанализированы прошлые и современные изменения криосферы, уточнена чувствительность ее элементов к изменениям окружающей среды и предложены способы управления отдельными элементами криосферы. Основные усилия коллектива проекта были направлены на исследования эволюции криосферы Земли при естественных и техногенных изменениях окружающей среды. Эволюция криосферы Земли и ее компонентов рассматривалась в единстве прошлого, настоящего и будущего криосферы, применялся широкий спектр полевых, дистанционных, лабораторных исследований и моделирования. Результаты, полученные в рамках проекта, представлены в опубликованных и принятых к печати статьях и доложены на многочисленных конференциях, ниже приводится краткое описание основных достижений. Продолжены лабораторные исследования изотопного состава воды и льдов в составе дисперсных грунтов. Предложены новые методы и подходы к изучению гранулометрического и морфологического состава криогенных пород (Инженерные изыскания, 2014), один из способов исследования запатентован (патент #RU 2528256). Предложен и обоснован новый подход к анализу генетической природы минерального вещества лессовых пород, распространение которых практически совпадает с ареалом плейстоценовой криолитозоны. Предложена методика, позволяющая различать лессовые породы криогенного и некриогенного генезиса. Она основана на дифференцированном анализе распределения основных породообразующих минералов (кварца, полевых шпатов, слюд и др.) по гранулометрическому спектру; который в криолитозоне имеет противоположный характер по сравнению с территориями с теплым и умеренным климатами. Это объясняется тем, что кварц в криолитозоне – самый неустойчивый минерал, тогда как в умеренных и теплых климатах кварц весьма устойчив по отношению к процессам выветривания (Инженерная геология, 2015). Впервые установлено, что при взаимодействии воды с грунтами, ее миграции и льдообразовании при промерзании происходит фракционирование изотопов, зависящее от состава грунта и условий промерзания. Экспериментально доказано, что связная вода в дисперсных грунтах по своему изотопному составу легче (как по кислороду, так и по дейтерию), чем свободная вода в поровом пространстве. Это необходимо учитывать при интерпретации данных изотопного анализа подземных льдов, в формировании которых миграция воды к фронту промерзания играет существенную роль (ДАН, 2014; Криосфера Земли, 2014). Показано, что макро- и микропросачивание газов в криолитозоне приводит к формированию приповерхностных окислительно-восстановительных зон, благоприятных для жизнедеятельности бактерий и аутигенного минералообразования. В результате выполненных исследований установлено, что длительная миграция углеводородов в осадочных мерзлых толщах вызывает значительные изменения pH и Eh и, следовательно, приводит к растворению или осаждению различных соединений и селективной мобилизации химических элементов. Впервые получены прямые доказательства бактериального окисления легких углеводородов, прежде всего метана, в зонах флюидопроницаемости криолитозоны в виде стадийного образования аутигенных минералов: сульфидов и оксидов железа, карбонатов, гипса и силикатов (Криосфера Земли, 2015). Продолжалось изучение крупных залежных льдов разного типа в пределах арктического шельфа и арктических и субарктических равнин. Привлечен новый фактический материал по арктическому шельфу, арктическим равнинам и арктическим островам. Для изучения льдов и вмещающих их отложений использован новый комплекс методов – палинологический, грануломинералогический и химический. Выявлены существенные различия между западным и восточным секторами Российской Арктики по преобладающему распространению генетических типов льдов. На этом основании реконструировано неодинаковое геологическое развитие в плейстоцене двух секторов Арктики. В западном секторе большую часть времени имел место трансгрессивный морской режим, морской тип осадконакопления, формирование морских равнин. В восточном секторе все время имел место континентальный режим, и формировались преимущественно озерно-аллювиальные равнины. Составлена Карта подземных льдов Криолитозоны России, где успешно увязан характер распространения генетических типов льдов с тектоническим развитием Российской Арктики (Вестник МГУ, 2014; Плейстоцен-голоценовая…, 2015; Geography, Environment…, 2014). Многолетнемерзлые породы и подземные льды шельфа и морского побережья рассмотрены как архив данных для реконструкции палеогеографических условий на шельфе и побережье Арктических морей. Установлены радикальные отличия в изотопном составе и содержании метана в подземных льдах различного происхождения и вмещающих мерзлых породах (ДАН, 2014). Проведена реконструкция палеоклимата Российской Арктики на основании изучения значений изотопов кислорода δ18O в полигонально-жильных льдах. Собраны доступные данные о значениях изотопного состава сингенетических ПЖЛ, для которых известен их геологический возраст. Построено пространственное распределение содержания δ18O в современных жилах и полигонально-жильных льдах, формировавшихся во время МИС 1, МИС 2, МИС 3, МИС 4. Установлено, что линии трендов изменения значений δ18O во льдах с запада на восток примерно параллельны. Это позволяет утверждать, что, начиная с 60 000 лет назад и до настоящего времени, характер атмосферного переноса в зимнее время в целом не изменялся. Вероятно, ледниковые щиты в Карском море были ограничены по площади и высоте и не изменяли общее направление атмосферного переноса. На основании данных по значениям стабильного изотопа δ18O в полигонально-жильных льдах разного возраста реконструировано пространственное распределение зимних палеотемператур для побережья Российской Арктики (Криосфера Земли, 2015). На примере Енисейского севера выявлен вклад деградации многолетней мерзлоты в изменения режима стока малых рек (Environment Research Letters, 2015). Предложен новый подход к исследованию структуры континентальной и субаквальной криолитозоны, заключающийся в использовании информации по изотопному составу кислорода и метану для интерпретации и структурирования криолитозоны. Установлено, что при переходах от одного структурного элемента мерзлой толщи к другому происходит скачкообразное изменение содержания метана. Продуцирование и количество метана в структурных элементах мерзлой толщи могут служить маркерами условий эволюции криолитогенеза. Выявлены особенности формирования оползней в криогенных грунтах севера России (Landslide Science…, 2014). Впервые выполнены биогеохимические исследования содержания и изотопного состава метана в мерзлых породах и подземных льдах, на основании которых установлено неатмосферное происхождение метана в пластовых льдах Западного Ямала. Это уверенно диагностирует пластовые льды как внутри грунтовые образования, но не захороненные ледники. Проведены исследования «Ямальского кратера» в многолетнемерзлых породах, проанализированы возможные причины его образования (Криосфера Земли, 2015). Выполнены исследования криогенного преобразования минерального вещества в Антарктических оазисах и на Приморских низменностях Якутии в плейстоцен-голоценовое время. Выявлено влияние условий накопления и промерзания на криогенез отложений, установлена синхронность развития криогенеза в обоих полушариях в позднечетвертичное время (Криосфера Земли, 2015). Проведено исследование снежного покрова в городах Российской Арктики. В последние годы всё чаще наблюдаются аномальные снегопады как один из откликов на изменения климата Арктики. Отлагаемые рекордные снежные заносы в зимнее время представляют опасность для населения и объектов инфраструктуры. В населенных пунктах отсутствует достаточное количество снегоуборочной техники и чёткая организация действий коммунальных служб, особенно в условиях их реформирования. Анализ трендов среднемесячной температуры воздуха, демонстрирует её рост за последнее десятилетие. В Мурманске, Кировске, Воркуте, Салехарде, Норильске и на других метеостанциях, средняя месячная температура с октября по апрель увеличилась более чем на 1° С. Благодаря увеличению температуры воздуха, в последнее десятилетие увеличилось количество осадков, особенно в зимнее время. Участились случаи аномальных снегопадов в предзимье и в мае. Получены первые абсолютные датировки ледниковых отложений Тянь-Шаня по космогенным изотопам. Датирование ледниковых отложений в долинах Иныльчек и Сары-Джаз позволило реконструировать изменение оледенения и климата в период позднеплейстоценового похолодания (Quaternary Science …, 2014). Проведена международная экспедиция для исследования Позднеплейстоценового оледенения Алтая, отобраны пробы для абсолютного датирования гляциальных отложений по космогенным изотопам и термолюминисцентного анализа. На основе полевых работ и анализа космических снимков высокого разрешения проведено гляциогеоморфологическое картографирование и уточнены параметры оледенения (Journal of Maps, 2015). Получены значения баланса массы и его компонентов (аккумуляции, абляции) для опорных ледников Джанкуат (Кавказ) и Карабаткак (Тянь-Шань) за 2013/14 и 2014/15 балансовые года. Установлено, что оба года выдались крайне неблагоприятными для состояния обоих объектов. На основании ручного дешифрирования космических снимков Terra ASTER (2003 г.), SPOT-2 (2006 г.) и SPOT-5 (2013 г.) оценены изменения площади оледенения массива Ак-Шыйрак (Внутренний Тянь-Шань) в 2003-2013 гг. Установлено, что в 2013 г. площадь оледенения массива Ак-Шыйрак составила 351,2 км2. В 2003-2013 гг. оледенение массива Ак-Шыйрак сократилось на 21,9 км2 или на 5,9%. Сокращение площади сопровождалось отступанием ледников, составившим в 2003-2013 гг. 110 м в среднем для всех ледников массива. Темпы сокращения площади оледенения массива Ак-Шыйрак выросли в 2003-2013 гг. почти вдвое по сравнению с периодом 1977-2003 гг. Такое поведение ледников стало закономерной реакцией на увеличение летней температуры воздуха (Дистанционные и наземные…, 2014). На основании площадной радиолокационной съемки опорного для массива Ак-Шыйрак ледника Сары-Тор проведена калибровка модели GlabTop для оценки распределения толщины льда. Установлено, что в континентальных условиях Внутреннего Тянь-Шаня предпочтительнее задавать пониженное значение параметра формы f=0,6 (Криосфера Земли, 2014). Продолжен гляциологический мониторинг цирка ледника Колка – зоны зарождения Кармадонской ледниковой катастрофы 2002 г. (Республика Северная Осетия Алания). Инструментальные наблюдения за процессом восстановления ледника Колка были начаты в августе 2004 г. Вторая топографическая съемка ледникового цирка Колка проводилась в августе 2009 г, третья – в августе 2014 г. В результате сопоставления топографических карт был установлен факт аномально быстрого восстановления ледника Колка на фоне неблагоприятных условий для Кавказского оледенения. В 2014 г. впервые была опробована методика цифровой фотосъемки ледника с обеспечением максимально возможной ортогонализации (совместно со специалистами ЗАО «СевКавТИСИЗ»). На основе мозаики из 409 фотоснимков разрешением 0,03 м/пиксель была построена цифровая модель местности и рельефа с средней погрешностью по высоте 0,27 м, а в плане – 0,02 м относительно опознаков. Совместное использование традиционных и инновационных методов съемки местности позволит максимально точно определить текущие темпы восстановления ледника Колка и уточнить прогноз событий, подобных катастрофе 2002 г. (Вестник ВНЦ, 2015). Разработаны ведущие методические положения мерзлотно-экологических исследований. Сформулированы понятия и методические приемы оценки, а также мерзлотные характеристики и классификатор техногенных нагрузок, определяющие возникновение различных экологических ситуаций в области вечной мерзлоты. Мерой опасности последних является активизация криогенных процессов, которая оценивается в соответствии с их площадью, скоростью развития и затухания, нарушением естественных ландшафтов, угрозой для функционирования инженерных сооружений. Выявлены ведущие факторы устойчивости ландшафтов к проявлению криогенных процессов в пределах субарктической и бореальной криолитозоны, процедура их сопоставления с целью выведения интегральных оценочных индексов для последующего ранжирования по уязвимости к освоению и составления оценочных ГИС-карт (в том числе с использованием материалов дистанционного зондирования высокого разрешения). Разработана пошаговая инструкция проведения оценки потенциальной устойчивости геосистем регионального уровня, способы экспертной оценки геоэкологического состояния природных ландшафтов, основные приемы природоохранных мероприятий в пределах осваиваемых территорий криолитозоны и земель традиционного природопользования коренного населения. Определена область применения экспертных балльных оценок и возможности их совершенствования. Показаны возможности мелкомасштабного мерзлотно-экологического картографирования для определения системной связи «мерзлота – ландшафт», вопросы взаимодействия «климат – мерзлота», а также география активизации криогенных процессов в Российской криолитозоне (Геоэкология криолитозоны, 2014). Проведена интегральная оценка литокриогенного и биоресурсного состояния ландшафтов Тазовского полуострова , в основе которой лежит разработка и сопоставление факторов устойчивости северных геосистем к проявлению опасных криогенных процессов наряду с их биоресурсной ценностью (продуктивностью оленьих пастбищ). Рассчитаны интегральные индексы для калибровки ландшафтов по уязвимости к освоению с точки зрения надежного функционирования инженерных сооружений и сохранения биоты. Работа направлена на принятие более обоснованных решений по ограничению антропогенных нарушений механического характера в районах Субарктики. Продолжены начатые в 2004 г. режимные исследования динамики сезонного протаивания грунтов (в рамках Международной программы CALM – Циркумполярный мониторинг деятельного слоя) на опытных стационарах близ Талнаха (юг Таймыра) и в пос. Лорино (Чукотка), получены данные о реакции мерзлоты в относительно холодное, но дождливое лето 2014 г.; под Талнахом средняя глубина оттаивания грунтов в этом году превысила на 20 % ту, которая была зафиксирована в рекордно жаркое (но и аномально сухое!) лето 2013 г. Длинным и прохладным летом 2015 г. глубина оттаивания превысила многолетнюю норму на 15%. В пос. Лорино определено распределение глубины деятельного слоя, выявлено существование техногенных таликов в зоне застройки посёлка, оценена опасность развития негативных криогенных процессов (пучение, термоабразия и т. д.), а также спрогнозирована динамика мерзлотных условий к 2030 г. в зависимости от сценария изменения климата и характера эксплуатации инженерных сооружений. Исследования температурного режима оснований зданий и сооружений, несущей способности вмороженных фундаментов и степени активизации опасных криогенных процессов на застроенных территориях показали, что преобладают деградационные тенденции. В крупнейшем городе криолитозоне - Норильске – натурные наблюдения и анализ баз данных (оценено состояние мерзлоты в основаниях около 800 крупнейших объектов) показали, что для 55% оснований прослеживаются тренды к деградации мерзлоты, для 25% - к ее укреплению (за счет оптимальной работы холодных проветриваемых подполий и других сезонно-охлаждающих устройств), 20% сохранили предпостроечное состояние вечномерзлых грунтов. В городской среде преобладают деформации осадок, а на трассах надземных газо- и нефтепроводов – пучение опор. Для Норильского региона апробированы новые приемы по замораживанию таликов, в частности, за счет устройства горизонтальных естественно вентилируемых трубчатых систем, включаемых в плитный фундамент (функция охлаждения и одновременно – армирования, т.е. обеспечения жесткости конструкции). Проанализировано нарастание рисков и причины деформирования объектов в крупнейших городах криолитозоны России (Основания и фундаменты, 2015).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".