Ландшафтная индикация и картографирование мерзлотных условий Бассейна р. Лены

Краткое описание

Содержание
Введение...3

1. Методические основы лапдшафтпо-крпопндиканнониых иссле-довннп...7

2. Природные условия и основные ландшафтные индикаторы мерзлотных условии бассейна р. Лены...16

2.1. Полигон Спасская Падь (Центральная Якутия) ...17

2.2. Междуречье Мархи-Хання-Накына (бассейн р. Вилюй)...28

2.3. Бассейн р. Лены ...39

3. Составление ландшафтной основы для криопндпкацпонных исследований ...50

3.1. Спасская Падь (Центральная Якутия)...54

3.2. Междуречье Мархи-Хання-Накына...63

3.3. Бассейн р. Лены ...72

4. Ландшафтная индикация мерзлотных условий...89

4.1. Спасская Падь ...90

/^- 4.2. Междуречье Мархи-Хання-Накына ...97

4.3. Бассейн р. Лены...104

5. Ландшафтно-крнонндпкацпонные исследования и составление тематических мерзлотных карт. Пространственный анализ с применением ГИС...116

5.1. Спасская Падь...117

5.2. Междуречье Мархи-Хання-Накына...136

5.3. Бассейн р. Лены...155

Заключение...166

Литература...168

Приложения
Введение

/к Введение

Актуальность работы. Ландшафтно-криоиндикационные исследования являются составной частью мерзлотного картографирования. В теоретическом и методическом отношении многие проблемы в данном направлении были решены предыдущими исследователями (Тумель В.Ф., Кудрявцев В.А., Кондратьева К.А., Мельников Е.С. и многие другие). Вовлечение новых территорий в сферу мерзлотных исследований при их хозяйственном освоении, а также совершенствование методов картографирования требует новых разработок в ландшафтно-криоиндикационных исследованиях. С методической точки зрения сопряженное исследование криоиндикационных свойств ландшафтов в крупном (1:25 000), среднем (1:200 000) и мелком (1:5 000 000) масштабах имеет научную актуальность. Применение ГИС в географических науках открывает новые возможности не только в пространст-венно-временном анализе современных процессов и явлении, но и в традиционных методах исследований, каковым является ландшафтная индикация мерзлотных условий. Результаты ландшафтно-криоиндикационных исследований имеют большое значение для развития геоинформационных технологий в мерзлотоведении, в первую очередь в автоматическом картографировании с применением атрибутивных таблиц ГИС.

Цель работы — выявление основных закономерностей ландшафтной индикации мерзлотных условий в разных масштабах для применения в мерзлотном картографировании.

Задачи исследований состоят в следующем:

1. Усовершенствовать методику выделения современных природно-территориальных комплексов - типов урочищ, типов местности и ландшаф-^ тов для определения криоиндикационных свойств ландшафтов.

/ 2. Определить криоиндикационные свойства ландшафтов бассейна

р. Лены на уровне типов урочищ, типов местности и ландшафтов.

3. Составить разномасштабные мерзлотные карты с применением ГИС и пронести пространственно-временной анализ мерзлотных ландшафтов.

Исходные материалы и методика исследований. В основу диссертации положен материал, полученный автором при мерзлотно-ландшафтных исследованиях в Якутии с 1990 по 2004 гг.

Использованы также фондовые материалы Института мерзлотоведения СО РАН, литературные источники, аэрокосмические снимки и картографические обобщения. Проводились аэровизуальные и наземные наблюдения за ландшафтами, с использованием метода ключевых участков. При камеральных работах применялись методы ГИС-технологий с использованием специализированного программного обеспечения (PC ARC/INFO, ArcVievv GIS, Geodraw/Geograph). По всем перечисленным программам автор прошел курсы обучения и имеет соответствующие сертификаты.

Научная новизна работы заключается в усовершенствовании методи- ки картографирования ландшафтов с применением ГИС-технологий, в составлении современных ландшафтно-криоиндикационных схем и создании новых цифровых мерзлотных карт бассейна р.Лены различного уровня и масштаба с базой данных о структуре и содержании компонентов ПТК, в проведении пространственного анализа по различным компонентам природных комплексов.

Основные защищаемые положения:

1. Применение ГИС-технологий позволяет упростить современные классификации природных комплексов криолитозоны и использовать их для создания новых картографических моделей (слоев цифровых карт) разных масштабов, с помощью которых облегчается познание структуры и физиономических свойств криогенных ландшафтов.

2. Криогенные ландшафты разных уровней генерации обладают хорошо выраженными индикационными свойствами (признаками), позволяющими оперативно устанавливать комплекс характеристик геокриологических уело-

Jk вий - температуру и мощность многолетнемерзлых горных пород, льди-

стость (влажность) и криогенное строение мерзлых грунтов, глубину сезонного промерзания-протаивания и др. Выявленные ландшафтные индикаторы устойчивы во времени и иространстЕю.

3. Использование криоиндикационных свойств ландшафтов и ГИС-технологий позволяет создавать цифровые геокриологические карты разного масштаба, отражающие особенности криолитозоны внутриконтинентальных районов Северной Азии. Составленшле на основе криоиндикации тематические карты дают возможность определять направленность развития криогенных процессов и давать прогнозные экологические оценки.

Практическое значение работы. Результаты проведенных криоиндикационных исследований позволяют более эффективно решать вопросы картографирования мерзлотных условий и систематизации природной обста-новки в ооласти распространения многолетнемерзлых пород. Результаты исследований могут быть использоешны для разработки природоохраЕшых мероприятий.

ВыполнеЕшая работа яеиеяются частью НИР ИЕЕСТЕЕтута мерзлотоведения СО РАН и использовалась при выполненЕЕи ряда хоздоговорных работ и еш-учных Ефоектов. Результаты работ апробировались в учебном процессе по спеЕшалыЕОСти "Поискее и разведка подземных вод ее инженерно-геолопЕческие изыскания" в Якутском госуниверситете им. М.К. Аммосова.

Личный вклад автора. В диссерташпЕ изложсееы резулЕ,таты Е!сследо-ваний, в KOTopiix автор с 1990 г. в качестве исполнителя, а с 1996 г. в качестве ответственного исполнителя, принимал участие в сборе, систематизациЕЕ ее анализе данных, разработке методики ГИС-картографирования в мерзлотно-ландшафтных исследовашЕях и в создании ряда ГИС-проектов. Совершенст-/* Еювание методики мерзлотно-ландшафтного картографирования, аналЕЕЗ

криоиЕЕдикацЕЕОЕШых свойств ландшафтов, разработка предлагаемых прие-

А мов ГИС-картографирования, составление цифровых мерзлотно-

ландшафтных и мерзлотных карт, пространственно-временной анализ, обработка и обобщение материалов выполнены непосредственно автором.

Апробация н практическая реализация. Содержание работы и ее отдельные положения были опубликованы и обсуждены на международных конференциях «Интеркарто-5 ГИС для устойчивого развития территорий» (Якутск, 1999) и «The Fifth International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME» (Нагоя, Япония, 2001), международной конференции «Криосфе-ра нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), на VII научной конференции «Картофафическое и геоинформационное обеспечение управления региональным развитием» (Иркутск, 2003), на научной конференции, посвященной 70-летию академика АН PC (Я), РАЕМ М.К. Гавриловен (Якутск, 1998), на конференции посвященной 80-летию картографо-геодезической службы России (1999).

Результаты работы были представлены в 10 публикациях (7 из них в соавторстве).

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 176 страниц машинописного текста, 24 карты, 18 рисунков, 34 таблицы. Список литературы включает 80 наименований.

Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность научному руководителю - к.г.н. A.M. Федорову за систематическую помощь и содействие, к.г.н. И.С. Васильеву, к.г.н. П.Я. Константинову, к.г.-м.н. СП. Готовцеву, к.т.н. О.И. Алексеевой, д.г.н. П.П. Гаврильеву, д.б.н. СИ. Мироновой, Т.А. Ботулу за поддержку и помощь на разных этапах исследований, Р.Н. Аргунову, П.В. Ефремову и другим сотрудникам Института мерзлотоведения СО РАН за участие и помощь в полевых исследованиях.

v 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАНДШАФТНО-

КРИОИНДИКАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Роль ландшафтно-криоиндикационных исследований при создании геокриологических карт трудно переоценить. Без проведения таких исследований практически не картографируется ни один компонент многолетнемерз-лых пород. Преимущества этого метода при мерзлотном картографировании подчеркивались многими исследователями, имена которых в настоящее время относятся к основоположникам мерзлотоведения — В.Ф. Тумель, И.Я. Баранов, В.А. Кудрявцев и др.

Возникновение ландшафтного метода картографирования в мерзлотоведении связано с В.Ф.Тумелем (1945). Ландшафтная индикация многолетне-мерзлых пород не зародилась на пустой основе. В то время велись исследования по ландшафтной индикации геологических, инженерно-геологических ^ и гидрогеологических условий в Европейской части бывшего СССР.

Широкое развитие ландшафтно-индикационный метод исследования инженерно-геологических и мерзлотных условий получил в 60-е годы XX века (Протасьева, 1965; Лазукова, 1967; Мельников, 1966 и др.). Целью этих исследований было выявление природных образований с относительно однородными мерзлотными условиями посредством использования ландшафтных индикаторов.

В 70-е годы интенсивное развитие инженерно-геологических и мерзлотных исследований позволили обозначить ландшафтно-криоиндикационное направление в качестве самостоятельного направления в мерзлотоведении (Мельников и др., 1974). Были выявлены комплексные ландшафтные индикаторы мерзлотных условий для Севера Западной Сибири и других регионов.

Дальнейший толчок в своем развитии ландшафтно-криоиндикационные ' • исследования развитие получили началом широкого использования космиче-

ских снимков (Гаврилов, 1979; Дслеур, Некрасов, 1980; Гаврилов, Кондратьева, 1982 и др.).

Крупные региональные мерзлотные исследования дали обширную информацию о криоиндикационных свойствах ландшафтов (Некрасов, Кли-мовский, 1975; Южная Якутия, 1975; Некрасов, 1976; Фотиев, 1978; Васильев, 1982; Мельников и др., 1983 и др.).

В мерзлотоведении методические вопросы ландшафтной криоиндикации мерзлотных условий были развиты в трудах В.Ф. Тумеля (1945), А.Н. Луки-чевой (1963), В.А. Кудрявцева (1961), А.П. Тыртикова (1963, 1969, 1974, 1979), К.А. Кондратьевой, Т.В. Курнишковой (1964), И.В. Протасьевой (1967, 1971), Н.Г. Москаленко (1970, 1973 и др.), Е.С. Мельникова и др., (1974, 1976, 1983), А.В. Гаврилова (1980, 1986), А.И. Сташенко (1983, 1984, 1987, 1990), А.Н. Федорова (1985, 1991), М.С. Петропавловской (1988), В.Р. Алексеева, Н.И. Новицкой (1996); Д.С. Дроздова (1997) и др.

Технология индикационных исследований примерно одинакова для всех наук о Земле и основывается на изучении скрытых от наблюдений компонентов ландшафта (литологические, гидрогеологические, мерзлотные и др. условия) посредством физиономических черт ландшафта (растительности, рельефа).

На основе представления о растительности как индикаторе условий среды был разработан геоботанический метод индикации в геологии, гидрогеологии и инженерной геологии. Геоботанический метод в инженерно-геологических исследованиях основан на изучении взаимосвязи отдельных растений и растительных ассоциаций с подстилающим субстратом. Смена растительной ассоциации является хорошим индикатором изменения инженерно-геологических условий. Растительные ассоциации и отдельные виды растений использовались для индикации определенных генетических разностей геологических, гидрогеологических и мерзлотных образований. Геоботаническая индикация получило свое начало с индикации гидрогеологиче-

д ских и инженерно-геологических условий (Викторов, 1955; Викторов, Вос-

токова, 1961). По условиям произрастания растительных сообществ, в первую очередь по характеру водного питания растений, выделялись грунты с определенными гидрогеологическими условиями.

Геоморфологическая индикация основана на генетической взаимосвязи между формами рельефа и условиями его образования. Рельеф во многих случаях обусловлен слагающим генетическим комплексом отложений. Так, например, с полигонально-бугристым микрорельефом связаны отложения ледового комплекса. И.С.Гудилин (1970) с формами рельефа связывает неотектонические структуры.

Ландшафтно-индикационные исследования в отличие от выше упомянутых, в качестве индикаторов используют весь комплекс внешних черт природных объектов. Ландшафтно-индикационный метод широко стал применяться при внедрении материалов аэрофотосъемки для целей тематического ^ картографирования. На аэрофотоснимках отражается весь природно-

территориальный комплекс, а не только его отдельные компоненты. Дешиф-ровочные признаки - фототон, текстура и структура определенных территорий однообразны для одного типа природно-территориалыюго комплекса, представляющего систему взаимосвязей компонентов природы на определенной территории. Поэтому, применение ландшафта в качестве индикатора, имело некоторые преимущества перед частными индикаторами.

Ландшафтно-индикационные исследования опирались на учении о ландшафте, основы, которой заложили В.В.Докучаев, Л.С. Берг, А.А. Григорьев и др. В 1950-е годы сложились три основных направления в ланд-шафтоведении:

1) региональное (Солнцев, 1949);

2) типологическое (Гвоздецкий, 1958);

У 3) типолого-региональный (Мильков, 1956).

^ Региональное направление в ландшафтоведении основывается на изуче-

нии индивидуальных особенностей природно-территориального комплекса. Каждая ландшафтная единица рассматривается как составная часть вышестоящего комплекса: фация - подурочище — урочище - местность — ландшафт - округ — край - область - страна.

Типологический подход к ландшафтной дифференциации предусматривает изучение типических черт ландшафтов, отходя от индивидуальных их особенностей. Н.А. Гвоздецкий (1958) выделяет следующую иерархию ландшафтных комплексов: тип - подтип - группа (род) — вид ландшафтов.

Третье направление предусматривает совместное использование самостоятельных первых двух подходов в ландшафтных исследованиях. Ф.Н. Мильков (1970) также выделяет третий подход к изучению ландшафтов -парадинамический, основанный на общности происхождения природно-территориальных комплексов.

^ Мерзлотно-ландшафтные исследования, проводившиеся ВСЕГИНГЕО и

ИМЗ СО АН СССР в 70-90-е годы XX века, имели большое теоретическое значение не только для мерзлотоведения, но и для ландшафтоведения. Представление о "мерзлотном ландшафте", как о своеобразном природном образовании, позволило определить его место в системе общей ландшафтной структуры и решить вопросы их классификации (Мельников и др., 1983; Мельников, 1985; 1990; Мерзлотные ландшафты Якутии, 1989; Федоров, 1991 и др.). Признание криогенеза ведущим фактором ландшафтообразова-ния на Крайнем Севере повысило значимость индикационной роли природ-но-территориальных комплексов.

В мерзлотоведении наиболее известна классификационная схема ландшафтов Е.С. Мельникова (1983), основанная на теоретических работах Н.А. Солнцева. Он выделяет восемь соподчиненных таксономических ландшафт-' г ных единиц: страна - провинция - подпровинция - район - ландшафт - ме-

стности - урочище - фация. Заслугой Е.С. Мельникова является то, что он

10

впервые применил мерзлотный фактор в выделении таксономических ландшафтных единиц. Так, мощность многолетнемерзлых пород, температура пород на подошве слоя годовых колебаний и мощность сезонно-талого слоя стали критериями выделения подпровшщии, урочища и фации соответственно.

Классификационная схема мерзлотных ландшафтов А.Н. Федорова (1991) основана на методических разработках Ф.Н. Милькова. В его таксономической системе, как и у Ф.Н. Милькова, имеется два параллельных ряда - типологических и региональных комплексов, которые при совмещенном изучении более достоверно отражают мерзлотную обстановку (Федоров, 1991). Так же как и Е.С. Мельников, он в качестве критериев выделения мерзлотных ландшафтов использует мерзлотные критерии.

В данной работе нами использована классификационная схема А.Н. Федорова (рис. 1.1, табл. 1.1 и 1.2).

ЛАНДШАФТНАЯ СФЕРА ЗЕМЛИ

Региональные комплексы

Типологические комплексы

| Вариант ландшафтной сферы j I Класс ландшзфта |

-L

Тип ландшафта

Подтип ландшафта

Род ландшафта

Тип местности

Подтип местности

Тип урочища

Тип фации

J

Рис. 1.1. Таксономическая система ландшафтов (по А.Н. Федорову, 1991).

11

Таблица 1.1

Основные критерии выделения региональных комплексов (по Федорову, 1991)

Таксономическая единица Основной критерий выделения Примеры

Материк Оротектонический (Мильков, 1970а) Евразия

Страна Геоструктурное положение, морфоструктура высшего порядка (Мельников, 1985) Средняя Сибирь

Провинция Геолого-гсоморфологические особешюсти, обусловленные тектоническими структурами (Мельников, 1985) Лено-Ампшская аласная

Район Геолого-геоморфологические особенности (Мильков, 1956) Тюнгюлюнский алас-но-котловинный

¦ Мезоклимап ГТ(СГК) -

Комплексы—)-Группы — -• криолитологи-ческих фаций

ЛФК-1

ивости мерзлот! i огеристик

Тип урочища

Тин фации

ассоциации Микрорельеф

Микроклимат КЛФК-2

Геокриологические фации

IX

Ассоциация

mm

Рис. 1.2. Критерии выделения мерзлотных ландшафтов (Федоров, 1991)

В настоящей работе нами из типологических ландшафтных комплексов используются единицы от типов ландшафта до типов фаций. А.Н.Федоров предлагает критерии выделения мерзлотных ландшафтов (рис. 1.2), что также уместно при рассмотрении используемых нами таксономических ландшафтных единиц.

Тип ландшафта выделяется на основе биогидроклиматических показателей, в первую очередь соотношением тепла и влаги. Из известных таксономических единиц критериями его выделения являются биом (биогеографический) и макроклимат (климатический).

Подтип ландшафта выделяется по подзональным и температурным различиям типа ландшафта. В тундровом типе ландшафта выделяются арктический, типичный и южный подтипы тундр.

Род ландшафта выделен А.Н. Федоровым в пределах подтипа местности по характеру распространенности многолетнемерзлых пород (сплошное, прерывистое, островное и редкоостровное распространение) .

Тип местности определяется как природно-территориальный комплекс, сложенный определенным генетическим типом четвертичных отложений,

14

занимающий определенное местоположение в рельефе и обладающий закономерным сочетанием составляющих его урочищ (Федоров, 1991).

Подтип местности выделяется по литологическим особенностям внутри типа местности. Выделение данного таксона необходимо для индикации криогенного строения многолетнемерзлых пород.

Тип урочища — основная единица полевого ландшафтного картографирования, являющаяся структурной частыо типа (подтипа) местности. Его индикаторами из физиономических черт ландшафта выступают микрорельеф и группа растительных ассоциаций.

Тип фации - наименьшая ландшафтная единица, которая представляет территорию с однородными сочетаниями всех ландшафтных компонентов. Тип фации определяется растительной ассоциацией.

Методика ландшафтно-криоиндикационных исследований предопределяет проведение специальных полевых исследований. Это, в первую очередь, необходимо для проведения крупно- и среднемасштабных исследований. Такие работы предполагают наземные маршрутные исследования, дешифрирование аэрокосмических снимков, детальные исследования на ключевых участках (или стационарах). Особое внимание уделяется изучению мерзлотных условий. По итогам полевых исследований и обработки имеющихся материалов (аэро- и космоснимков, фондовых и литературных источников) составляются ландшафтно-криоиндикационные таблицы, которые отражают связи между физиономическими чертами ландшафтов и мерзлотным условиями. Затем на основе ландшафтно-криоиндикационной таблицы составляются специальные мерзлотные карты (льдистости отложений, температуры горных пород, мощности сезонно-талого слоя и др.).

15

2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ II ОСНОВНЫЕ ЛАНДШАФТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ МЕРЗЛОТНЫХ УСЛОВИЙ БАССЕЙНА р. ЛЕНЫ

Для детального исследования ландшафтных индикаторов мерзлотных условий нами рассматриваются три разномасштабных объекта — крупномасштабный - полигон Спасская Падь в Центральной Якутии (1:25 000), междуречье Мархи-Хання-Накына (бассейн р.Вилюй) (1:200 000) и бассейн р. Лены в целом (1:5 000 000). В этих объектах ландшафтные индикаторы, соответственно классификационным требованиям, представляют различные таксономические единицы, что позволяет детализировать, или обобщать индикационные свойства мерзлотных условий.

2.1. Полигон Спасская Падь (Центральная Якутия)

Крупномасштабным считается картографирование в масштабах от 1:25 000 до 1:100 000 (Полевые..., 1961, Шац, 2003). В мерзлотно-ландшафтном картографировании в пределах этих масштабов можно выделить такие таксономические единицы как типы урочищ (Федоров, 1991).

Полигон «Спасская Падь» расположен среди типичной средней тайги с преобладанием лиственничных лесов. Большая часть лесов в предыдущие годы была вырублена. Здесь расположены два научных стационара: Нелегер (Институт мерзлотоведения СО РАН) и «Спасская Падь» (Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН). Стационар Спасская Падь находится в 24 км к северо-северо-западу от г. Якутска. Изучаемая территория имеет размеры сторон около 9 и 12 км (рис. 2.1).

16

/ "¦¦¦'¦¦¦ ,-¦'¦¦" ' " ' ' \ ' ' '

Ц -~; : ¦ ¦ ¦•-¦•¦ * ¦¦¦¦-- : -i

\4Г

it -..

¦*" ¦ -. ' .¦ . ¦ *''';•: ,

1№Щ

Рис. 2.1. Топографическая модель расположения экспериментальных площадок для наблюдений, составленная при помощи про грамм Surfer (a), Arc View 3D Analyst (б).

Фактические материалы по данному району были получены автором в ходе полевых работ, были также использованы фондовые материалы Института мерзлотоведения СО РАН, литературные источники, аэрокосмические снимки и картографические обобщения.

Геологический фундамент района образуют верхнеюрские песчаники с прослоями алевролитов и глин, обнажающиеся в Приленской части территории и несогласно залегающие на них неогеновые пески. Сверху они перекрыты небольшим, до 6-10 м, слоем четвертичных отложений. Наиболее распространенными их типами являются аллювиальные отложения высоких террас р. Лены, ледового комплекса склоновые: делювиальные, делювиаль-но-солифлюкционные, делювиально-коллювиальные, и современные отложения временных водотоков и ручьев (рис. 2.2).

17

Список литературы