Изучение закономерностей формирования и распространения мерзлых пород в областях активного вулканизма важно не только для составления геокриологических карт и прогноза опасных процессов, но и для понимания взаимосвязи вулканизма и криогенеза на других планетах. Сравнивая вулканические ландшафты, распространенные на территории района работ с имеющимися данными космических аппаратов и зондов, можно сказать, что они могут являться аналогами поверхностей Луны и Марса (Гирина, 1998). Большая часть поверхности Марса сложена вулканогенными отложениями, а в приполярных областях были обнаружены достаточно молодые шлаковые конуса (по данным Mars Express). При этом, химический состав марсианских отложений весьма близок к камчатским базальтам (Squyres et al., 2004), а проявления процессов морозобойного растрескивания на Марсе схожи с земными, о чём стало известно после получения первых снимков со спускаемых аппаратов (Сarr, 1981, Кузьмин, 1982). Марс относится к планетам криогенного типа и содержит водный лёд в поверхностных слоях приполярных регионов. Это было установлено сначала на основе анализа данных о потоках эпитепловых нейтронов (Boynton et al., 2002), а затем и прямыми наблюдениями с аппарата Phoenix. Поэтому, марсианская криосфера все больше привлекает внимание, как геокриологов, так и специалистов по поискам жизни на планете. Проведение экспедиций по микробиологическому исследованию мёрзлых пирокластических отложений было поддержано Астробиологическим институтом Национального аэрокосмического агентства США (NAI). При этом были получены данные о геокриологических условиях района Ключевской группы вулканов, которые составили основу работы.
Изучить геокриологические условия района Ключевской группы вулканов и оценить влияние на них активного вулканизма. В том числе, создать сеть скважин для изучения температурного режима территории (особенно, вблизи активных вулканических построек), которую в дальнейшем можно использовать для мониторинга. Изучить теплофизические свойства вулканогенных отложений для понимания их роли в формировании геокриологических условий территории.
Фактический материал. Помимо немногочисленных литературных данных, основу работы составили результаты собственных исследований автора. Исследования выполнялись в рамках программ Президиума РАН: <Изменение окружающей среды и климата: исследования, мониторинг и прогноз состояния природной среды; природные катастрофы, анализ и оценка природного риска, вулканизм> и <Исследование, мониторинг и прогноз состояния криосферы и изменений мерзлотных условий>.
Необходимость проведения полевых исследований была обусловлена отсутствием фактического материала по геокриологическим условиям района (имеющиеся геокриологические карты на территорию Ключевской группы вулканов были построены расчетным путём). В различных высотных и ландшафтных зонах в 2002-2008 гг. были выбраны ключевые участки и создана сеть скважин и оборудованных площадок, где проведены температурные замеры и наблюдения за мощностью и динамикой сезонно-талого слоя. Режимные наблюдения являлись частью международных программ и и в качестве проекта <Мониторинг температурного поля извергающихся вулканов> вошли в план реализации научной программы участия Российской Федерации в проведении Международного Полярного Года.
Расчёт среднегодовых температур пород и мощностей ММП выполнен во время стажировки в лаборатории гляциологии, геоморфодинамики и геохронологии географического факультета Университета Цюриха (заведующий - проф. W. Haeberli). В основу положен эмпирико-статистический подход, успешно применяющийся в Альпах и адаптированный автором к Камчатке (соавтор Dr. S. Gruber). Широко использовались данные дистанционного зондирования Земли. Работы выполнялись на основе цифровой модели рельефа, полученной в ходе радарной топографической миссии космического аппарата Шаттл в 2004 г. Для дешифрирования растительного и ледникового покровов использовались снимки с космических аппаратов Landsat и Aster. Оценка мощностей ММП проводилась решением серии двухмерных и осесимметричных задач в программе численного моделирования COMSOL Multiphysics.
Для расчёта температур воздуха использовались данные метеостанции Ключи и данные автоматических метеостанций, работавших в 1996-1997 и 2000-2001 годах (Matsumoto et al., 1999, Sone et al., 2003).
Изучение теплофизических свойств вулканогенных отложений проводились в полевых условиях и на кафедре геокриологии МГУ совместно с магистранткой Тихоновой Е.П. под руководством к.г.-м.н. Р.Г. Мотенко.
Научная новизна проведённых исследований заключается в следующем:
1.Впервые получены данные о температурном режиме пород в районе Ключевской группы вулканов. До высот 800-900 м в зимнее время формируется инверсия температур воздуха и поверхности почвы. Показано широкое распространение в данном районе ММП, рассчитаны их максимальные мощности, а также размер зоны воздействия жерловых структур на температурное поле вулканической постройки Ключевской сопки.
2.Для района Ключевской группы вулканов была предложена методика картирования мёрзлых пород с использованием геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли. Создана геокриологическая карта района масштаба 1:100 000.
3.Уточнено положение южной границы распространения современных повторно-жильных льдов, которые были обнаружены в районе Ключевской группы вулканов (55o северной широты) на высоте 1600 м.
4.Обобщены имеющиеся данные о присутствии многолетнемерзлых пород в районах активного вулканизма и показано их широкое распространение в пределах данных областей. Сформулированы основные виды воздействия вулканизма на формирование геокриологических условий.
5.Впервые была определена теплопроводность вулканических шлаков и пеплов в мёрзлом состоянии. Показано, что данные отложения обладают низкой теплопроводностью.
Практическое значение работы связано с применением для горных районов Камчатки эмпирико-статистического подхода к картированию ММП. Эта методика позволяет создавать геокриологические карты территории при ограниченном количестве фактического материала. Это первый опыт применения подобного подхода в России. Созданная сеть мониторинговых скважин и площадок по наблюдению за слоем сезонного оттаивания позволит отслеживать изменения температурного режима многолетнемёрзлых пород и закладывает основу для изучения климатических условий горных районов Камчатки. В перспективе планируется оборудование их автоматическими метеостанциями с передачей данных в режиме реального времени. Температурный мониторинг вблизи действующих вулканов позволит прогнозировать динамику мощностей ММП и, соответственно, развитие опасных геокриологических процессов. Полученные материалы были использованы студентами при написании курсовых и дипломных работ.
Основные защищаемые положения:
1.Геокриологические условия района Ключевской группы вулканов отличаются от приведённых на существующих картах. Для большей части территории нижней границей распространения ММП является высотный диапазон 900-1000 м над уровнем моря, а выше 1300 м они имеют преимущественно сплошное распространение.
2.Эмпирико-статистический подход, с использованием геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования, позволил создать геокриологическую карту района Ключевской группы вулканов масштаба 1:100000 без проведения полномасштабных съёмочных работ. Региональные особенности задавались модельными константами, вычисляемыми по данным замеров температур пород в скважинах. Созданная геокриологическая карта адекватно характеризует температурный режим пород данной территории и позволяет оценить мощность ММП.
3.Тепловое влияние вулканических структур на многолетнемёрзлые породы проявляется в пределах района Ключевской группы локально. Показанные на карте ареалы возможного формирования вулканогенных таликов дают представление о максимальной зоне теплового воздействия вулканизма. Наибольшее воздействие оказывают характерные для данного района особенности современного осадконакопления - площадное выпадение пирокластических отложений, которые являются хорошими теплоизоляторами, способствуют формированию и сохранению прослоев погребённых льдов и новообразованию ММП.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 3-ем съезде геокриологов России (Москва, 2005), конференциях <Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения> (Пущино, 2003), <Криосфера нефтегазоносных провинций> (Тюмень, 2004), <Криогенные ресурсы полярных регионов> (Салехард, 2007), <Россия в МПГ - первые результаты> (Сочи, 2007), 8-ой и 9-ой Международных и 2-ой Европейской конференциях по мерзлотоведению (Цюрих, 2003; Фейрбенкс, 2008; Потсдам, 2005), 3-ей Европейской астробиологической конференции (Мадрид, 2004), съездах Европейского Геофизического Союза (Вена, 2003; 2007) и 5-ой Астробиологической конференции (Санта-Клара, 2008). По мере выполнения, работа докладывалась на семинарах гляциологического отдела Института географии РАН, кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и на заседании Международного Арктического комитета (С.-Петербург, 2007). Основные материалы исследований опубликованы в журналах <Криосфера Земли> и .
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и выводов. Она изложена на 112 страницах текста и сопровождается 46 иллюстрациями и 5 таблицами. Список литературы включает 116 наименований.
Работа выполнялась под руководством д. г.-м. н. Д.А. Гиличинского, которому автор выражает благодарность за плодотворное сотрудничество. Я благодарен также проф. Н.Н. Романовскому, под чьим руководством была написана магистерская работа по теме работы. Полевые работы проводились совместно с Институтом вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, спасибо зав. лабораторией активного вулканизма к. г. н. Я.Д. Муравьёву и всем сотрудникам, помогавшим нам на Камчатке. Автор признателен за обсуждение работы и ценные комментарии сотрудникам кафедры геокриологии Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, особенно, к. г.-м. н. С.Н. Булдовичу, к. г.-м. н. В.Н. Зайцеву и к. г.-м. н. Е.Н. Оспенникову. Очень много дало мне общение с Штефаном Грубером и сотрудникам лаборатории гляциологии, геоморфодинамики и геохронологии географического факультета Университета Цюриха. Техническая поддержка осуществлялась Университетом Фербенкса, США, за что я признателен проф. В.Е. Романовскому.
Спасибо всем участникам полевых работ, особенно М.Ю. Александрину, С.В. Губину, Н.Э. Демидову, Т.В. Жиделеевой, Г.Н. Краеву, А.В. Кузмицкому, В.Г. Мамыкину, К.А. Новотоцкой-Власовой, А.Л. Холодову, З.А. Цыганковой и Л.А. Шмаковой, а также друзьям, которые были рядом, за поддержку.
