Лекции для студентов

Мерзлотное лесоводство — Мерзлотные процессы

Мерзлотные процессы

Несмотря на длительное существование, многолетняя или вечная мерзлота — явление динамическое. Если глубоко залегающие толщи мерзлых пород, постоянно сохраняющие отрицательную температуру, не связаны с колебаниями тепловых потоков и находятся в относительно стабильном состоянии, то верхние слои мерзлоты крайне неустойчивы и под влиянием каких-либо внешних воздействий легко могут переходить в талое состояние.

С изменением теплового режима верхних горизонтов многолетней мерзлоты связаны такие мерзлотные явления, как термокарст, термоэрозия, термоабразия, солифлюкция, пучение грунтов и наледные образования. За исключением эрозии и абразии, свойственным земной поверхности в целом, остальные присущи только мерзлотной зоне. Тепловой фактор предопределяет гидротермический режим деятельного и подстилающего его горизонтов и является ведущим ландшафто- и рельефообразующим компонентом. Следовательно, любое нарушение относительного теплового равновесия в системе «атмосфера — почва — мерзлая литосфера» провоцирует развитие тех или иных мерзлотных процессов, знание которых необходимо при организации хозяйственной деятельности в лесах и редколесьях мерзлотной зоны. По этой причине кратко рассмотрим перечисленные мерзлотные процессы и возможные их последствия.

Т е р м о к а р с т — это процесс образования замкнутых просадочных форм рельефа, обусловленный, как правило, локальным оттаиванием льдонасыщенных грунтов и линз ископаемого льда, залегающего близко к дневной поверхности. Термокарст типичен как для сплошной, так и для островной мерзлоты. Обычно при нарушении теплового режима он развивается на ровных участках древних террас и речных долин, плоских поверхностях водоразделов, сложенных рыхлыми отложениями с большим содержанием подземных льдов. В области сплошного распространения вечной мерзлоты наиболее часто встречаются полигонально-жильные ледяные структуры. Они формируются в результате морозобойного растрескивания поверхности почвы и проникновения в ее толщу талых вод, которые при замерзании давят на стенки образующихся трещин и расширяют их. Со временем поверхность расчленяется жилами льда на изолированные блоки. Наиболее ярко полигональные структуры выражены в Субарктике, но нередко они наблюдаются в притундровых и северотаежных редколесьях.

Ископаемые льды в виде линз и различных по мощности и форме жильных включений при сохранении относительного равновесия природных процессов и стабильности теплообмена находятся в мерзлом состоянии. Однако, после пожаров, уничтожающих не только древесную растительность, но и теплоизолирующий слой мохового покрова, сплошных рубок и, особенно, после раскорчевки леса под сельскохозяйственные угодья или промышленное строительство происходит нарушение теплообмена и, как следствие, более глубокое оттаивание верхних горизонтов почвы. В результате начинается таяние подземных льдов, проседание грунта и образование заполненных водой понижений. При значительной мощности линз ископаемого льда на месте просадки грунта быстро образуются термокарстовые озера.

В зависимости от степени насыщенности льдом грунта проявление термокарста может быть весьма различным. В одних случаях происходит формирование озер и озерно-болотных комплексов, в других — лишь образование просадочных форм рельефа и недолговременное заболачивание территории. Поэтому при планировании лесохозяйственных мероприятий необходимо учитывать возможность развития термокарста в тех или иных лесорастительных условиях.

Согласно литературным данным (Поздняков, 1975, 1986; Щербаков, 1975) и нашим наблюдениям (Абаимов, Бондарев, 1992), в разных районах мерзлотной зоны системы несплошных рубок мало влияют на изменение температурного режима почвы и редко провоцируют развитие термокарста. При проведении сплошных рубок в насаждениях с хорошо развитым травяно-кустарничковым ярусом в зимнее время, когда повреждение мохово-лишайникового покрова и верхнего горизонта почвы минимально, опасность развития термокарста невысока по сравнению с летними лесозаготовками. Последние, особенно с применением тяжелой гусеничной техники, чаще всего, приводят к нарушению теплообмена и провоцируют термокарстовые процессы.

Т е р м о э р о з и я — это разрушение деятельного и подстилающего его горизонтов мерзлотных почв в период весеннего снеготаяния и летних ливневых дождей. Весенний надмерзлотный сток, когда почва оттаивает лишь на 5-10 см, казалось бы не представляет собой опасности для разрушения ее деятельного горизонта, а мерзлота должна являть собой надежную защиту от размыва почвы. На участках, где растительность и лесная подстилка не нарушена, многолетняя мерзлота действительно выступает в роли стабилизатора, предотвращающего эрозию. Но проложенные вдоль склонов волоки, сезонные дороги или даже одиночные проезды гусеничной техники, как правило, способствуют интенсивному развитию водной эрозии мерзлотных почв.

Обычно термоэрозия наблюдается даже на очень пологих склонах, сложенных супесчаными или легкими суглинистыми почвами, в период интенсивного весеннего таяния снега. Казалось бы относительно холодные талые воды, тем не менее, очень быстро приводят к оттаиванию мерзлых горизонтов почвы и ее стремительному размыву. По нашим наблюдениям в Центральной Эвенкии, осенне-зимняя лесовозная дорога, проложенная вдоль склона водораздела крутизной 3-7^о, всего лишь за шесть-семь лет превратилась в овраг глубиной близ впадения возникшего водотока в р. Нижняя Тунгуска до 5 м. Причем весенний размыв склонов образовавшегося оврага ежегодно провоцирует интенсивное таяние жильных ледяных включений и развитие еще одного мерзлотного процесса — термоабразии.

В природных условиях развитию термоэрозии способствуют лесные пожары. Под их влиянием продольные микропонижения и участки с наибольшим выгоранием верхнего органического слоя почвы на склонах разной крутизны в результате гибели нижних ярусов растительности, и, прежде всего, мохово-лишайникового покрова, в период весеннего снеготаяния превращаются во временные водотоки. Выступая антагонистом многолетней мерзлоты, талые воды очень быстро размывают почву, образуя многочисленные делли, расположенные как бы веером от вершин к подножью склонов. Вследствие чего в горах мерзлотной зоны формируются своеобразные формы микрорельефа. Особенно хорошо они выражены на Анабарском плато в Якутии и на плато Путорана в Эвенкии. Со временем послепожарное восстановление нижних ярусов лесной растительности предотвращает дальнейшее развитие термоэрозии. Однако, как результат этого мерзлотного процесса, на склонах, подверженных термоэрозии, наблюдается весьма неравномерное пространственное распределение лесной растительности, хорошо заметное даже на аэрофотоснимках.

Т е р м о а б р а з и я — это процесс разрушения берегов рек и озер, имеющий в мерзлотной зоне свои специфические черты. В отличии от механического разрушения берегов весенними половодьями и ледоходом в других природных зонах, в высоких широтах Евразии добавляется тепловая энергия водных потоков, вызывающая интенсивное таяние подземных льдов и насыщенных льдом мерзлых грунтов. В долинах рек, сложенных рыхлыми отложениями, это мерзлотное явление оказывает существенное влияние на формирование русел. В крутых берегах нередко вымываются обширные ниши, размеры которых определяются величиной линз и жил ископаемого льда, а также степенью насыщенности замерзшей водой аллювиальных отложений.

При спаде паводковых вод верхние горизонты почвы над такими нишами под силой тяжести обрушиваются в реки, увлекая за собой целые участки лесной растительности. Так например, на р. Яна и ее притоках такие обвалы нередко достигают 80-100 м в длину и до10-15 м вглубь берега (Поздняков, 1986). Сходные по масштабам процессы разрушения берегов в результате термоабразии наблюдаются на Таймыре (р. Хета) и на севере Средне-Сибирского плоскогорья (р. Котуй, Тембенчи, Мойеро, Кочечум). Особенно велики масштабы этого мерзлотного процесса на Вилюйском водохранилище, возникшем четверть века назад в результате строительства первой в зоне многолетней мерзлоты Вилюйской ГЭС. Здесь термоабразия способствует ежегодному поступлению в водохранилище не только огромного объема грунта, но и большого количества древесины, создающей в дальнейшем как экологические, так и сугубо технологические проблемы, связанные с эксплуатацией электростанции.

Обычно вдоль берегов рек отводятся защитные полосы, в которых запрещено проведение рубок главного пользования. Примыкающие леса призваны препятствовать размыву берегов и регулировать поверхностный сток. Мерзлота вносит коррективы в это установленное правило, поскольку термоабразия неизбежно приводит не только к гибели лесной растительности, но и к засорению рек преимущественно лиственничной древесиной, что осложняет их использование в качестве транспортных магистралей для маломерного флота. Высказывается вполне справедливое мнение, что в мерзлотной зоне, где имеется опасность размыва берегов, наиболее целесообразно в первую очередь вырубать леса в полосе шириной до 50 м, непосредственно примыкающей к береговым кромкам (Поздняков, 1986). К сожалению, документы, регламентирующие хозяйственную деятельность на территории лесного фонда Российской Федерации, не предусматривают такого, вполне оправданного с экологических позиций, но нестандартного подхода.

С о л и ф л ю к ц и я — мерзлотный процесс, при котором происходит течение (сползание) вниз по склонам по мерзлому горизонту подстилающего грунта деятельного слоя почвы, перенасыщенной влагой. С некоторой долей условности это явление, свойственное мерзлотной зоне, можно сравнить с оползнями. Основное отличие заключается в медленной скорости перемещения грунта. Но послепожарная склоновая солифлюкция нередко приобретает черты оползней и достигает внушительных размеров. Сползающие вниз по склону верхние горизонты почвы, обнажают подстилающие их породы, вмещающие подземные льды, способствую, тем самым, развитию термокарста и термоэрозии.

Наиболее интенсивно это мерзлотное явление развивается в горных районах Крайнего Севера после низовых пожаров. Обычно уже в год пожара на крутых склонах водоразделов и структурных террас в результате резкого нарушения теплового режима происходит сползание суглинистых и пылеватых почвенных разностей и обнажение подстилающих пород. Процесс этот продолжается и в последующие годы, вследствие чего наиболее крутые склоны в течение 3-5 лет могут почти полностью лишиться почвенного покрова и превратиться в каменистые россыпи.

Многие аспекты развития солифлюкции изучены крайне недостаточно. Например, трудно объяснить, почему на одном и том же склоне без видимых признаков какого-либо природного или антропогенного воздействия на лесную среду одни участки леса подвергаются солифлюкции, а непосредственно примыкающие к ним и характеризующиеся аналогичными лесорастительными условиями, не имеют следов развития этого мерзлотного процесса. Особенно часто такое явление можно наблюдать в среднем течении Нижней Тунгуски, где большинство склонов представлено участками лесной растительности, отражающей разные временные этапы ее восстановления после солифлюкции.

На пологих склонах водоразделов в зоне сплошного распространения мерзлоты медленно развивающийся процесс солифлюкции обычно приводит к образованию фрагментов, так называемого, «пьяного леса». Постепенно сползая вниз по склону вместе с деятельным горизонтом почвы, деревья приобретают разный угол наклона стволов к ее поверхности, откуда, очевидно, и появилось такое название.

П у ч е н и е г р у н т о в — широко распространенный мерзлотный процесс, заключающийся в том, что образующийся при замерзании воды лед увеличивается в объеме и с большой силой давит на вмещающий его грунт. В результате чего возникают своеобразные бугры пучения с выдавленной на дневную поверхность почвой и включенной в нее материнской породой. Нередко выпучивание камней приводит к формированию своеобразного микрорельефа в виде причудливых каменных колец и фрагментов каменистых осыпей на склонах. К лесному хозяйству пучение грунтов имеет отношение пожалуй лишь в связи с тем, что на образовавшихся кольцах и бугорках минерализованного грунта достаточно успешно возобновляется лиственница (Абаимов, 1997). Но с этим явлением нельзя не считаться при выполнении строительных работ, прокладке линий электропередач, связи и трубопроводов, поскольку сваи и столбы также могут вымораживаться и выдавливаться из грунта на поверхность.

Н а л е д и — широко распространены в зоне многолетней мерзлоты. Как правило, они образуются в долинах горных рек в зимнее время, когда местами русло промерзает до дна, а продолжающая поступать вода приводит к появлению трещин в ледяной толщи, из которых она растекается по поверхности льда, занимая порой всю пойму. Весеннее подтопление неблагоприятно отражается на примыкающей лесной растительности, которая со временем погибает и замещается тундровыми сообществами, представленными обычно зарослями кустарниковых берез и ив. Например, в Центральной Эвенкии в пойме р. Ледяная таяние ежегодно образующейся наледи завершается лишь в середине-конце июля. На участке низкой поймы близ впадения этой реки в Нижнюю Тунгуску лиственничный древостой погиб около 30 лет назад. Но его успешно заместили устойчивые заросли кустарниковой березы с незначительным участием в составе представителей рода Salix.

В центральной части плато Путорана отдельные наледи в поймах рек сохраняются в течение всего года и водные потоки пробивают себе русла в ледяной толще, составляющей 2-3 м в конце июля — начале августа. Наиболее крупные наледи встречаются на северо-востоке Якутии. В 1990 г. мы имели возможность обследовать с вертолета наледь в пойме одного из притоков Индигирки — р. Мома, протяженность которой в середине июля составляла около 50 км, а толщина льда достигала 2-2,5 м. Высказывается мнение, что крупные наледи могут формироваться также за счет притока подмерзлотных вод, поступающих на поверхность по тектоническим разломам (Поздняков, 1986).

Имеются и другие формы проявления мерзлотных процессов. Нередко на одних и тех же участках одновременно можно наблюдать сочетание нескольких из них. Однако, для целей лесного хозяйства важное значение имеют термокарст, солифлюкция, термоэрозия и термоабразия, отрицательные последствия которых следует учитывать в мерзлотной зоне при планировании и решении многих лесохозяйственных вопросов.