Применение георадиолокации для оценки влияния автодороги на глубину залегания многолетнемерзлых пород в полигональных болотах Севера Западной Сибири

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Ямало-Ненецкого автономного округа в рамках научного проекта № 19-45-890011 "Оценка устойчивости полигональных торфяников северной части Пур-Тазовского междуречья к антропогенному воздействию на фоне климатических изменений" и в рамках государственного задания Института биологии Коми НЦ УрО РАН № 122040600023-8 «Криогенез как фактор формирования и эволюции почв арктических и бореальных экосистем европейского Северо-Востока в условиях современных антропогенных воздействий, глобальных и региональных климатических трендов»

Введение

Экосистемы Арктики и Субарктики являются чрезвычайно уязвимыми к антропогенным и природным изменениям. Глобальное потепление наряду с увеличением антропогенной нагрузки уже в ближайшей перспективе будет способствовать сокращению площади и мощности многолетнемерзлых пород (ММП) ^[1], с их полным протаиванием в южной части криолитозоны, что приведет к значительным ландшафтным изменениям при строительстве и эксплуатации объектов промышленной и социальной инфраструктуры высоких широт ^[2]. Строительство автодорог на Севере России является одним из главных факторов антропогенного воздействия на тундровые геосистемы криолитозоны ^{[3, 4]}. В связи с этим, особую актуальность получают исследования мерзлотных почв, отражающих изменения климатических, геокриологических и ландшафтных условий ^[5].

Одним из регионов, где субарктические геосистемы испытывают значительную антропогенную нагрузку наряду с климатическим потеплением, является Север Западной Сибири. На фоне потепления в последнее десятилетие в южной тундре Западной Сибири активизировались термокарстовые ^[6] и термоэрозионные процессы ^[7]. Полигональные болота Севера Западной Сибири остаются геосистемами с относительно низкими температурами ММП, что предопределяет их максимальную устойчивость к климатическим изменениям ^[8]. Однако, данный факт актуализирует исследования устойчивости болотных геосистем к антропогенным нарушениям, в том числе возникающим при строительстве таких протяженных линейных объектов как автодороги.

В северо-восточной части Пур-Тазовского междуречья с 2016 года проводились комплексные геокриологические исследования полигональных болот ^[9]. В рамках данных работ определена необходимость проведения подробных георадиолокационных исследований, позволяющих детально оценивать пространственные изменения глубины сезонного протаивания и залегания кровли многолетемерзлых пород ^[10]. Георадиолокационное профилирование показало свою эффективность при изучении особенностей залегания ММП в болотных геосистемах ^[11]. В связи с этим, целью данной работы является определение с помощью георадиолокационного профилирования особенностей пространственной дифференциации глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород на участках полигональных болот Севера Западной Сибири, нарушенных при прокладке и эксплуатации насыпной автодороги.

Объекты исследований

Объектом исследования является участок пересечения полигонального болота насыпной автомобильной дорогой Тазовский – Газ-Сале (Тазовский район Ямало-Ненецкого автономного округа) с цементно-бетонным покрытием в пределах Пур-Тазовского междуречья (рис. 1). Координаты участка исследований: 67°20'26'' с.ш., 78°57'07'' в.д., ширина основания дорожной насыпи – 20 м, дороги – 12 м, части дороги, покрытой бетонными плитами – 6 м, высота насыпи – до 2,5 м. Температура ММП для района исследований составляет от -3 до -7 °С ^[9].

Рис. 1. Местоположение участка исследований, расположение трансекты 3GAZ показано красным пунсоном на крупномасштабной картосхеме справа.

Методы исследований

Георадиолокационные исследования проводились в сентябре 2020 года на профиле (трансекте) 3GAZ, пересекающим автодорогу. Глубина залегания кровли ММП определялась методом непрерывного профилирования георадаром «Zond-12E» (Radar Systems, Inc., г.Рига, Латвия) с подключенной к нему поверхностной экранированной антенной частотой 300 МГц. Расстояние между точками измерений (трассами) составляло от 2 до 5 см, геометрическая привязка профиля осуществлялась с помощью GPS навигатора Garmin GPSmap 64S.

Обработка данных проводилась в программном пакете Prizm 2.7 (первичная обработка) и RadexPro (ООО «Деко-геофизика СК», Москва, РФ). На этапе первичной обработки георадарограммы масштабировались по маркерам, корректировалось время начала записи. Последующий этап обработки включал полосовую и двумерную фильтрацию, коррекцию амплитуд, ввод данных рельефа, предсказывающую деконволюцию, миграцию по Столту ^{[12, 13]}. После обработки определяли скорости электромагнитных волн, которые в пределах сезонноталого слоя рассчитаны на основании данных прямых измерений в точках профилей. Определенные значения скорости интерполировались между точками рассчитаны методом линейной интерполяции.

Данные георадиолокации до и после обработки приведены на рисунке 2 (рис. 2).

Рис. 2. Данные по профилю 3 GAZ до (а) и после (б) обработки

При полевых работах на отдельных пикетах георадиолокационных профилей измеряли мощность сезонноталого слоя (СТС), замеры выполняли градуированным металлическим зондом с круглым сечением диаметром 10 мм длиной 150 см ^[14]. Количество пикетов в профилях варьировалось от 8 до 18 в зависимости от ландшафтного разнообразия. При описании растительности определяли тип тундровых растительных сообществ и максимальную высоту ярусов растительного покрова.

Результаты исследований

Антропогенные нарушения, обусловленные строительством автодороги, оказывают значительное влияние на геосистемы полигональных болот, что отражается в изменении залегания кровли многолетнемерзлых пород, определенной по георадиолокационным данным. На рис. 3 приведён фрагмент данных с интерпретацией, полученных на георадиолокационном профиле, пересекающем полигональное болото и автодорогу Тазовский – Газ-Сале. Кровля ММП (подошва сезонноталого слоя) выделяется по высокоамплитудному отражению радиосигнала, глубина её залегания подтверждается результатами измерений металлическим щупом. По георадиолокационным данным в пределах профиля четко дифференцируются следующие элементы: автодорога в центре, ограниченная заболоченными понижениями рельефа, вначале и в конце фрагмента профиль проходит через полигональное болото. Данные отражения от кровли ММП в пределах полигонального болота находится во временном интервале 20-30 нс, увеличиваясь под дорогой до 50 нс и особо под придорожным понижением (до 70-80 нс).

Рис. 3. Георадиолокационный профиль 3GAZ по профилю «полигональное болото – насыпная автодорога – полигональное болото».

Кроме отражения от подошвы сезонноталого слоя на профиле, пересекающем автодорогу, дополнительно выделяется ось синфазности, предположительно соответствующая подошве дорожной насыпи (рис. 4). Две данные оси синфазности отличаются друг от друга полярностью сигнала: если на подошве сезонноталого слоя коэффициент отражения положительный (скорость электромагнитных волн в мёрзлых грунтах в несколько раз выше, чем в талых водонасыщенных), и ось синфазности имеет положительную полярность, то ось синфазности волны, отражённой от подошвы насыпи, имеет отрицательную полярность. На рисунке 4 одна георадарограмма, проходящая через толщу насыпи, приведена в амплитудном виде. Максимальная по абсолютным значениям амплитуда отражения от кровли ММП – положительная, от подошвы насыпи – отрицательная. Это свидетельствует о снижении скорости электромагнитных волн на границе подошвы насыпи и может означать, что данная граница совпадает с уровнем грунтовых вод (УГВ) под толщей насыпных отложений ^[15].

Ниже кровли ММП на радарограммах наблюдаются кратные отражения, маскирующие возможные полезные волны (см. рис. 2). Выделение каких-либо границ ниже подошвы сезонноталого слоя по георадарным данным не представляется возможным.

Для расчета времени прихода радиосигнала до глубины определяемой границы необходимо знать скорость распространения электромагнитных волн в среде. Существуют несколько способов определения скорости волны: проведение георадиолокационных исследований с разнесёнными источником и приёмником, определение скорости по гиперболам дифракции, привязка к данными прямых наблюдений, использование априорной информации ^[13]. Скорость распространения радиосигнала в пределах сезонноталого слоя рассчитывалась как двойная мощность слоя, разделённая на время прихода отражённой волны и составила около 5 см/нс. Скорость радиосигнала в теле дорожной насыпи определялась по гиперболам дифракции, составив в среднем около 10 см/нс. В торфяных горизонтах, залегающих под толщей дорожной насыпи, гиперболы дифракции отсутствуют. Значение скорости электромагнитных волн здесь принималось равной 7,5 см/нс, так как скорость данных волн в почвогрунтах обратно пропорционально их влажности ^{[12, 16]}. При условии постоянных значений других физических характеристик торфа, по сравнению с ненарушенными участками, подстилающие насыпь торфяные горизонты становятся плотными при выдавливании влаги в песчаную отсыпку. В результате объемная влажность торфа непосредственно под дорожной насыпью становится ниже, чем за её пределами, а скорость электромагнитных волн – выше. Погребенный торфяный слой находится ниже уровня грунтовых вод и скорость радиосигнала в нём обратно пропорциональна глубине залегания УГВ. Исходя из вышеизложенного, скорость радиосигнала в данном слое определена как среднее арифметическое между значениями таковой во влажном торфе и сухом песке насыпи.

Анализ георадиолакационных данных с учетом рассчитанных скоростей радиосигнала показывает, что основные зоны опускания кровли ММП локализованы в придорожных понижениях (рис. 5).

У основания насыпи, наблюдается резкое (до 2 м) понижение кровли ММП, что обусловлено стоком влаги в придорожное понижение, а также вытаиванием полигонально-жильного льда, активно происходившим в аномально теплые годы ^[9]. Кроме того, при нагреве поверхности откосов дорожной насыпи максимальное прогревание почвогрунтов происходит у их подножий насыпей, где мощность насыпных грунтов минимальна ^[17]. Максимально глубокое протаивание в основаниях откосов дорожной насыпи увеличивает риск снижения устойчивости земляного полотна и служит причиной его неравномерных деформаций ^[18].

Рис. 5. Изменение глубины залегания кровли ММП по георадиолакационным данным на трансекте 3Gaz, пересекающих автодорогу Газ-Сале – Тазовский.

Тем не менее, понижение многолетнемерзлой кровли на исследуемых участках автодороги значительно меньше таковых (8-10 м) наблюдающихся на участке пересечения автодорогой бугристого болота на европейском Севере, расположенного в подзоне массивно-островного распространения ММП ^[10]. Это связано с относительно низкими температурами многолетнемерзлых пород в болотных геосистемах Таз-Пуровского междуречья.

Непосредственно под дорожной насыпью кровля ММП залегает на значительной глубине (до 3 и более метров). Однако, если не учитывать высоты насыпной песчаной толщи, в погребенных торфяных отложениях многолетнемерзлая кровля находится в пределах естественных глубин залегания, лишь в некоторых местах снижаясь на 0,3 м (рис. 6). Вероятно, такая специфика залегания кровли ММП обусловлена значительным охлаждением очищаемой от снега дорожной насыпи в зимний период, а также повышенной температуропроводностью песчаных грунтов летом. Схожие результаты были получены при исследовании конфигурации кровли ММП под автодорогой, пересекающей бугристое болото на европейском Севере ^[10].

Рисунок 6. Результаты георадиолокации по профилю 3 GAZ.

Согласно математическим расчетам температурных полей дорожных насыпей ^[17] определенная конфигурация изменения кровли ММП под дорогой на участке исследований больше соответствует таковой для почвогрунтов центральной Якутии. В приведенной для данной территории модели глубина ММП под насыпью близка к уровню таковой ненарушенных участков, а глубина залегания многолетнемерзлой кровли у основания дороги не превышает 3 м ^[17].

Метод ручного зондирования позволяет определить вариации глубины сезонного протаивания до 1,3 м в пределах полигональных болот и пересекающих их придорожных понижений. Результаты ручного зондирования кровли ММП подтверждают характер пространственной дифференциации глубины ее залегания, выявленной при георадиолокационных исследованиях (рисунки 5-7). Минимальные глубины залегания кровли ММП, а равно и мощности СТС, характерны для основной поверхности полигональных торфяников и межполигональных трещин (рис. 7).

Рис. 7. Глубина залегания кровли ММП, определенная ручным зондированием на участке исследований.

В мочажинах мощность СТС возрастает лишь на 20%, еще в большей мере глубина сезонного протаивания увеличивается в краевых частях торфяных полигонов. В придорожных понижениях кровля ММП залегает глубже 1 м. Основными отепляющими факторами в понижениях являются избыточная объемная влажность почв (до 100%), большая высота кустарниковой растительности (до 2 и более метров), обусловливающей усиленное снегонакопление.

Заключение

Георадиолакационное профилирование позволяет определить значительные изменения глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород как на естественных, так и антропогенно-нарушенных участках полигональных болот, где недоступны методы ручного зондирования.

В зоне влияния автодороги максимальное опускание кровли ММП (до 2 м) наблюдается в основании дорожной насыпи. Несмотря на глубокое залегание кровли ММП (3 м) под дорожной насыпью, мощность талых погребенных торфяных горизонтов здесь аналогична таковой сезонноталого слоя ненарушенных торфяных полигонов. Особенности пространственной дифференциации глубины залегания многолетнемерзлой кровли на участках полигональных болот, пересекаемых насыпной автодорогой на Севере Западной Сибири аналогичны таковым, характерным для регионов со сплошной низкотемпературной криолитозоной.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Ямало-Ненецкого автономного округа в рамках научного проекта № 19-45-890011 "Оценка устойчивости полигональных торфяников северной части Пур-Тазовского междуречья к антропогенному воздействию на фоне климатических изменений" и в рамках государственного задания Института биологии Коми НЦ УрО РАН № 122040600023-8 «Криогенез как фактор формирования и эволюции почв арктических и бореальных экосистем европейского Северо-Востока в условиях современных антропогенных воздействий, глобальных и региональных климатических трендов».