На арктических термоабразионных берегах Якутии, сложенных ледовым комплексом, широко распространены термотеррасы. Их морфометрические параметры хранят количественную информацию о времени существования термотеррас и могут быть использованы для определения средних за это время величин скорости отступания берегов. В 2002 г . авторами статьи были впервые проведены геодезические измерения четырех термотеррас на южном берегу прол. Дмитрия Лаптева и вычислены скорости отступания берега по размерам термотеррас. Сравнение полученных величин со скоростями, определенными путем соотнесения современного положения берега с аэрофотоснимками 1986 г ., доказало возможность определения скорости термоабразии берегов, сложенных ледовым комплексом, по размерам термотеррас.

Термоабразия берегов, термотеррасы, скорость термоабразии

ВВЕДЕНИЕ

На якутском побережье арктических морей широко распространены термотеррасы в ледовом комплексе. Они представляют собой уникальное мерзлотно-геоморфологическое явление, поскольку их размеры хранят количественную информацию о времени их существования, которая может быть использована для вычисления средних величин скорости термоабразии v_тa (скорости отступания береговой линии термоабразионных берегов) за это время. Первые описания термотеррас были сделаны А.А. Бунге [1895] и Э.В. Толлем [1897], а механизм их формирования объяснен Ф.Э. Арэ [1968]. В дальнейшем был теоретически обоснован метод определения скорости термоабразии по размерам термотеррас [Арэ, 1980], но этот метод не применялся до настоящего времени из-за отсутствия данных соответствующих геодезических измерений. Такие измерения впервые были проведены береговым отрядом российско-германской экспедиции «Лена-2002» на южном берегу прол. Дмитрия Лаптева (143,6° в.д.) в августе 2002 г . (рис. 1). В районе измерений широко распространены одно- и двухступенчатые термотеррасы в ледовом комплексе (рис. 2). На участке берега длиной около 3 км была выполнена геодезическая съемка береговой линии, бровок береговых уступов и поперечных профилей четырех термотеррас. На основе полученных морфометрических данных были вычислены скорости термоабразии для четырех точек берега.

Скорости термоабразии на всем измеренном участке берега были определены также путем сравнения результатов геодезической съемки с аэрофотоснимками м-ба 1:36 000, выполненными в 1986 г . Это позволило сравнить результаты определения скорости термоабразии двумя методами.

В настоящей статье изложены методика и результаты выполненных измерений.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЕТ СКОРОСТИ ТЕРМОАБРАЗИИ

Геодезическая съемка выполнялась 30 августа 2002 г . с помощью электронного теодолита, снабженного лазерным измерителем расстояний. Точность измерения углов составляла 0,0001°, а расстояний и разностей высот - 0,001 м . Выбор точек для измерения поперечных профилей термотеррас осуществлялся на местности визуально.

Основой определения скорости термоабразии по размерам термотеррас является скорость термоденудации v_тд обнажений ледового комплекса, которая вычисляется по средней многолетней величине Σt годовой суммы положительных средних за сутки температур воздуха [Арэ, 1985]. Скоростью термоденудации мы называем величину перемещения обнаженной поверхности ледового комплекса по нормали к ней за единицу времени.

Величины Σt, вычисленные по данным измерений полярных станций до 1961 г ., имеются в климатических справочниках. Ближайшие к месту измерений полярные станции - это мыс Святой Нос и мыс Шалаурова (см. рис. 1). Последняя станция расположена на о-ве Бол. Ляховский. Величины Σt, измеренные на островах моря Лаптевых, намного меньше, чем измеренные на материковом побережье. Поэтому для расчетов приняты данные полярной станции Святой Нос - Σt = 345°С∙сут [Справочник..., 1966].

Методику расчета скорости термоабразии рассмотрим на примере термотеррасы I на рис. 3. Данная терраса двухступенчатая. Ее важной особенностью является то, что подошва ледового комплекса располагается выше уровня моря. Ледовый комплекс подстилается толщей малольдистых алевритов. Отступание бровки термоабразионных береговых уступов, сложенных малольдистыми рыхлыми отложениями, под действием термоденудации невелико. Поэтому толща алевритов практически не принимает участия в формировании термотеррас в ледовом комплексе, ширина которых измеряется десятками, а иногда и сотнями метров. Но высоту расположения подошвы ледового комплекса необходимо учитывать в расчетах скорости термоабразии по размерам термотеррас.

К сожалению, отметка подошвы ледового комплекса непосредственно на профиле рассматриваемой термотеррасы не была измерена. В береговых обнажениях, расположенных на 540 м западнее этого профиля, она равна + 8 м , а на 1620 м восточнее - 0 м . На основе линейной интерполяции этих данных отметка подошвы ледового комплекса на измеренном профиле принята равной + 6 м .

В табл. 1 представлены координаты характерных точек профилей всех четырех измеренных термотеррас относительно начал координат, показанных на рис. 3. Они вычислены по данным геодезических измерений. Поверхность 1-2 верхнего уступа рассматриваемой термотеррасы представляет собой обнажение ледового комплекса, которое в полной мере подвергается термоденудации. Между точками 3 и 4 поверхность плоская, покрыта луговой растительностью и полностью стабильна. Между точками 2 и 3 находится переходная зона от обнажения ледового комплекса 1-2 к стабильной поверхности 3-4. В верхней части участка 2-3 наблюдаются разрозненные блоки тундрового растительного покрова, сползающие вниз по склону, где они постепенно смыкаются и образуют сплошной покров. Профиль поверхности 2-3 имеет вогнутую форму. На всем этом участке продолжается таяние ледового комплекса и соответствующие осадки поверхности, которые будут происходить до полной тепловой и механической стабилизации склона. За счет этого процесса поверхность 3-4 будет нарастать вверх по склону.

Вторую сверху термотеррасу между точками 4 и 5 измерить не удалось. Точка 5 находится на пляже, у подножия нижнего берегового уступа, который во время измерений был отвесным и имел открытую волноприбойную нишу. Геодезическая отметка точки 5 примерно соответствует наивысшему уровню моря.

Для расчета скорости термоабразии по размерам термотеррас используется величина уклона их стабильной поверхности. Для рассматриваемой термотеррасы это уклон поверхности 3-4. Продолжая линию 3-4 до пересечения с уровнем подошвы ледового комплекса в точке 6 (см. рис. 3), получаем место, где в прошлом началось формирование верхней термотеррасы. До начала этого процесса точка 6 находилась на поверхности отвесного берегового уступа, сформировавшегося под действием термоабразии, скорость которой была больше скорости термоденудации. В дальнейшем скорость термоабразии стала меньше скорости термоденудации. Поэтому верхняя часть уступа, сложенная ледовым комплексом, стала отступать быстрее, чем нижняя часть, сложенная малольдистыми алевритами. К настоящему времени бровка верхней части уступа (см. рис. 3, II, точка 1) отступила от точки 6 вдоль профиля термотеррасы на 322 м . За это же время береговая линия (точка 5) отступила на 220 м .

Наличие второй ступени термотеррасы между точками 4 и 5 свидетельствует о том, что за время существования верхней ступени 1-2 скорость термоабразии в течение некоторого времени превышала скорость термоденудации, а затем снова стала меньше нее. Но поскольку размеры этой ступени измерить не удалось, использовать ее для вычисления скорости термоабразии невозможно.

Зная расстояние 1-6 по горизонтали, можно вычислить время существования верхнего уступа 1-2 термотеррасы II. Для этого необходимо определить скорость термоденудации по графику на рис. 4 или по эмпирической формуле, описывающей этот график [Арэ, 1985]:

v_тд = - 3 • 10^-6(Σt )² + 98 • 10^-4(Σt) + 1,22 (1)

Для Σt = 345 °С∙сут скорость термоденудации, вычисленная по формуле (1), равна 4,25 м/год.

Скорость отступания бровки вертикального уступа равна скорости термоденудации, но для наклонных уступов первая из названных больше второй. Схема, представленная на рис. 5, показывает, что скорость отступания бровки уступа v_бр связана со скоростью термоденудации соотношением:

v_бр = v_тд / sin φ, (2)

где φ - угол наклона поверхности уступа к горизонту. Согласно данным рис. 3 и табл. 1, средний угол наклона верхнего уступа 1-2 измеренной термотеррасы:

tg φ = 5,1 м / 7,1 м = 0,7183 → φ = 35,7°

Когда этот уступ находился в точке 6, скорость отступания берега была больше скорости термоденудации. Поэтому уступ был отвесным. Считая в порядке первого приближения, что за время перемещения уступа из точки 6 в современное положение угол его наклона изменялся по линейному закону, определяем его среднее значение за это время φ = (90 + 35,7) / 2 = 62,85°. При этом средняя скорость отступания бровки, согласно формуле (2), составляла:

v_бр = 4,25 / sin 62,85° = 4,75 м/год,

а время существования верхнего уступа 1-2:

322 м : 4,78 м/год = 67 лет.

В течение этого времени нижний уступ переместился на 220 м (см. рис. 3), а средняя скорость его перемещения (скорость термоабразии) составляла

v_тд = 220 м : 67 лет = 3,3 м/год.

Аналогично были обработаны данные измерений трех других термотеррас. Результаты обработки представлены в табл. 2. В этой же таблице даны скорости термоабразии, полученные сравнением результатов геодезической съемки с аэрофотоснимками 1986 г .

ОБСУЖДЕНИЕ

Определение размеров термотеррас производилось попутно с общей геодезической съемкой берегов. Время работы было ограничено несколькими часами пребывания отряда на берегу. Поэтому измерения были выполнены недостаточно тщательно и не могут претендовать на высокую точность.

Одинаковый поперечный уклон, выдержанный по всей поверхности термотеррасы, является ключевой морфологической особенностью, позволяющей вычислять скорость термоабразии по размерам термотеррас. При наблюдении с достаточно большого расстояния постоянство уклона обычно хорошо фиксируется визуально. Но это постоянство проявляется на фоне местных неровностей рельефа. Поэтому для получения достоверных данных необходим тщательный выбор поперечников и точек для геодезических измерений на основе визуального изучения микрорельефа и растительного покрова термотеррас. На каждой термотеррасе необходимо измерить несколько поперечников и по ним определить среднюю величину уклона поверхности.

Особенно важно значение угла наклона уступов термотеррас, который сильно влияет на скорость отступания их бровок под действием термоденудации (см. рис. 5). Термоабразионные берега, сложенные ледовым комплексом и отступающие со скоростью, превышающей скорость термоденудации, имеют отвесные уступы. При замедлении отступания изначально отвесный уступ становится уступом термотеррасы и в дальнейшем отступает только под действием термоденудации. При этом его нижняя часть имеет тенденцию к выполаживанию, поскольку минеральные и органические продукты термоденудации сползают к подножию уступов и замедляют его оттаивание. Иногда этот процесс распространяется на всю высоту уступа (см. рис. 2). В других случаях его верхняя часть остается отвесной в течение многих лет. Поэтому при определении скорости термоабразии по размерам термотеррас необходимо тщательно изучать форму профиля их уступов.

К сожалению, скорость термоабразии непосредственно на профиле термотеррасы была определена только для террасы II. В районе профиля термотеррасы I ближайшая точка, в которой удалось определить скорость термоабразии (3,0 м/год), расположена в 100 м от профиля. Скорость 2,5 м/год была зафиксирована в 115 м от профиля 3 и в 65 м от профиля 4.

Оценивая результаты сравнения скоростей термоабразии, полученных двумя методами, следует учитывать, что масштаб и качество аэрофотоснимков позволяли определить среднюю скорость за 16 лет в каждой отдельной точке береговой линии с точностью примерно 0,5 м/год. Как уже отмечалось ранее [Арэ, 1985], скорости термоабразии значительно варьируют вдоль берега. Часть заснятого нами берега длиной 1600 м была разбита на 18 примерно равных участков, и для каждого участка были определены средние величины скоростей - от 4 до 1 м /год.

Учитывая все изложенные обстоятельства, нет оснований ожидать точного совпадения результатов определения скорости термоабразии двумя использованными методами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом результаты выполненных полевых измерений и расчетов доказали возможность определения скорости термоабразии берегов, сложенных ледовым комплексом, по размерам термотеррас. Сравнение величин скоростей термоабразии, вычисленных по размерам термотеррас, с величинами, полученными путем сравнения результатов геодезической съемки с аэрофотоснимками, показало, что точность этих двух методов примерно одинакова.

Литература

Арэ Ф.Э. Развитие рельефа термоабразионных берегов // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1968, № 1, с. 92-100.

Арэ Ф.Э. Термоабразия морских берегов. М., Наука, 1980, 159 с.

Арэ Ф.Э. Основы прогноза термоабразии берегов. Новосибирск, Наука, 1985,172 с.

Бунге А.А. Описание путешествия к устью р. Лены 1881-1884 гг. // Труды рус. полярной станции на устье Лены, ч. 1 за 1882 г . СПб., Рус. геогр. о-во, 1895, 96 с.

Справочник по климату СССР. Вып. 24. Якутская АССР. Ч. II. Температура воздуха и почвы / Отв. ред. С.А. Изюменко. Л., Гидрометеоиздат, 1966, 398 с.

Толль Э.В. Ископаемые ледники Ново-Сибирских островов, их отношение к трупам мамонтов и к ледниковому периоду // Записки рус. геогр. о-ва, 1897, т. XXXII, № 1, 139 с.

USING THERMOTERRACE DIMENSIONS TO CALCULATE THE COASTAL EROSION RATE

F.E. Are, M.N. Grigoriev*, F. Rachold**, H.-W. Hubberten**

Petersburg State University of Means of Communications, 190031, Saint-Petersburg, Moskovsky av., 9, Russia

* Melnikov Permafrost Institute SB RAS, 677010, Yakutsk , Merzlotnaya str., 1, Russia

** Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Telegrafenberg, A-43, 14473, Potsdam , Germany

Thermoterraces in syngenetic ice complexes are widespread along the erosion-dominated shores of the Yakutia Arctic coast. Thermoterraces progressively record quantitative information about their existence which may be used to determine the mean shore retreat rate during the time they are present. Initial measurements of four thermoterraces were carried out by the authors on the south coast of the Dmitry Laptev Strait in 2002, and shore retreat rates were calculated. Comparison of erosion rates obtained using thermoterrace dimensions and geodetic survey results with rates determined using aerial photographs showed that the erosion rate values obtained in these two ways are approximately of the same order.

Thermoabrasion of shores, thermoterraces, thermoabrasion rate

Ссылка на статью:

Арэ Ф.Э., Григорьев М.Н., Рахольд Ф., Хуббертен X.-В. Определение скорости отступания термоэрозионных берегов по размерам термотеррас // Криосфера Земли. 2004. Т. VIII. № 3. С. 52-56.