Решение ряда практических задач инженерной геологии, таких как прогноз развития арктических берегов после возведения гидротехнических сооружений, оценка влияния этих сооружений на инженерно-геологические условия осваиваемых акваторий связаны с вопросами изменения конфигурации береговой линии, мерзлотно-геологических условий, рельефа береговых форм и др.

Изучение особенностей береговых образований полярных морей основано на представлениях о современной динамике морских берегов и закономерностях современных береговых процессов, а также на комплексном анализе рыхлых прибрежно-морских отложений, древних и современных береговых форм рельефа.

При региональных инженерно-геологических исследованиях проводились геолого-геоморфологические наблюдения на побережье Западного Ямала и Югорского п-ова. Изучение общей динамики развития берегов опиралось на натурные обследования берегов, промеры, инструментальную съемку пляжа и контуры береговой линии, геологические привязки, которые в конечном счете сводились к выявлению участков аккумуляции и размыва берегов Карского моря. Степень выдержанности пород вглубь берега наблюдалась в разрезе термоэрозионных оврагов, на многие сотни метров рассекающих береговые склоны, что позволило иметь трехмерное представление о геолого-геоморфологических условиях морского побережья. Эти работы в какой-то степени пополнили прежде известные сведения [Арэ, 1980; Береговая зона…, 1981; Крапивнер, 1986; Кузин и Астафьев, 1975; Ласточкин, 1978; Полуостров Ямал…, 1975; Смирнов, 1986; Суздальский, 1974; Трофимов и др., 1975; Шарков и др., 1985] о развитии и строении береговых форм в этом регионе Арктики.

Условия развития и формирования морских берегов данного региона определяются рядом местных факторов, из которых наиважнейшими являются термоабразия, термокарст и термоэрозия. С ними сочетаются факторы, не связанные с тепловыми процессами, такие как криосолифлюкция, гравитационное перемещение пород по склону, плоскостной смыв почвы и вынос больших масс грунта в море, нивация, что в целом еще больше усиливает скорость преобразования берегов.

Исследованиями установлено, что интенсивное разрушение береговых обрывов Карского моря объясняется как мерзлотно-геологическим строением прибрежной суши, так и особенностями гидродинамических и термических факторов. В пределах обширных приморских низменностей прибрежная суша (абс. выс. 6- 12 м ) сложена преимущественно вечномерзлыми песчано-суглинистыми породами, часто содержащими пласты намывного, слаборазложившегося торфа с обломками древесины, отдельные прослои и целые массивы глин и суглинков.

Тепловое и механическое воздействие термоденудационных процессов ярко проявляется в образовании особых форм микрорельефа побережья. В годы повышенной инсоляции грязевые потоки стекают по ледяному ложу, образуя один или два уступа, представляющих собой поверхности термотеррас. Террасированные ступенчатые берега развиты главным образом в местах, где обнажаются увалы высотой 10- 15 м . Нередко наблюдаются признаки остроконечных форм рельефа в самой первой стадии развития (байджарахи), возникающие в результате вытаивания ледяных жил. Разгружаясь при термокарстовом процессе, байджарахи приобретают соответствующие размеры и форму (байджараховые берега). На некотором удалении от береговой линии вырисовываются обширные цирки термокарстового происхождения, стенки которых постоянно вырабатываются в условиях попеременного замерзания и оттаивания.

В результате термодинамического действия воды вырабатываются характерные черты термоабразионной ниши. Этот процесс особенно усиливается в периоды штормовых нагонов, когда уровень воды значительно поднимается. В течение одного нагонного шторма в основании береговых склонов могут вырабатываться волноприбойные ниши до 10 м и более. Образование глубоких ниш приводит к обрушению подмытой толщи в виде блоков длиной 10- 40 м и объемом более 3000 м³ . Блоковое смещение по подошве сезонно-талого слоя нередко обнажает в плане полигональную трехлучевую решетку, обусловленную морозобойными трещинами. В процессе последующей переработки штормовыми волнами блоки, омываемые почти со всех сторон, окончательно разрушаются и процесс этот возобновляется. Обычно на полный цикл размыва берегов затрачивается 1-3 летне-осенних сезона. Однако, удавалось проследить весь цикл в течение 1-2 штормов (2-3 недели). Период разрушения блоков увеличивается, если летом у берегов долго держится лед.

Термоабразионные процессы приводят к существенным изменениям из года в год конфигурации берегов, мерзлотно-геологических условий, а также к смене обстановки в прибрежной суше и на морском дне. Этим и объясняется экстремальная скорость отступания береговой линии вглубь прибрежной суши. На Западном Ямале скорость отступания берегового уступа за год составила 6 м , кроме того, у подножия склонов были выработаны новые ниши глубиной до 3- 7 м . На одном из термоабразионных участков Югорского п-ова среднемноголетняя скорость разрушения берега составила 5 м .

Разрушающий эффект теплового и механического воздействия на берега зависит прежде всего от предела прочности пород льдистого комплекса, слагающих берега, от «запаса древнего холода» в них. Промерзание и криодиагенез отложений существенным образом влияют на их инженерно-геологические свойства. Более высокую прочность приобретают породы по мере понижения их температуры. Исследования грунтов на Ямале показали, что при температуре -3,6-4,0°С их прочность на сжатие составляет 1,49-1,80 МПа, величина сцепления 0,41-0,58 МПа. Водопроницаемость протаивающих грунтов почти в 20 раз выше, чем непромерзающих.

Разрушающее воздействие на клиф вызывают только достаточно сильные штормы (более 5-6 баллов). Во время штормов умеренной силы лишь на пляже отмечаются преобладание процессов размыва, интенсивное срезание береговых валов и аккумулятивных выступов. При слабом волнении (2-3 балла) в надводной части пляжа господствуют процессы аккумуляции наносов в результате перемещения материала с моря к берегу. В периоды более благоприятных гидрометеорологических условий отступание бровки береговых склонов замедляется или прекращается вовсе. Выработанные ранее ниши закрываются осыпающимися оттаивающими осадками, которые накапливаются в большом количестве у основания уступов и почти не убираются при слабом волнении. Анализ деформации рельефа береговой зоны показывает, что при слабом волнении происходит аккумуляция наносов за счет подачи материала вверх по склону, а ее интенсивность уменьшается в сторону берега от линии моря. При умеренном штормовом волнении наблюдается обратная картина (рис. 1). Обрывистые ранее береговые склоны при таких условиях становятся через 2-3 года пологими, а в береговой зоне образуются осыхающие участки.

Изучение пространственного размещения и скоростей термоабразии, режима наносов и гидродинамики, определение скоростей различных процессов, протекающих на отмелом песчаном берегу, осуществлялись на двух ключевых участках. Протяженность последних составляет 3,5 и 1 км с морской границей на глубине 2- 3 м .

Опытный участок на западном побережье Ямала располагался на активном, сравнительно широком (30- 60 м ) пляже, сложенном мелкозернистым песком. Со стороны прибрежной суши пляж окаймлен низким клифом. Береговая линия, осложненная аккумулятивными мысами и небольшими бухточками, ориентирована с севера на юг. Результаты полустационарных наблюдений указывают на то, что в зависимости от режима волнения в надводной части пляжа отмечаются то слабый размыв, то столь же незначительная аккумуляция в виде небольшого берегового вала у самого уреза воды. Усиление волнения сопровождалось выполаживанием пляжа и выравниванием береговой линии. В целом на всех профилях (рис. 1), за исключением профиля XII, проявляется процесс размыва, особенно в зоне приурезовой ложбины. Перемещение легкоподвижного песчаного материала, реагирующего на любые изменения гидродинамических условий, происходило преимущественно в поперечном направлении. Об интенсивном и непрерывном взаимодействии пляжа и подводного склона свидетельствуют и изменения положения береговой линии (рис. 1, 2).

Анализ собранного материала позволяет говорить о том, что в настоящее время на большей части побережий Западного Ямала и Югорского п-ова наблюдаются не только термоабразия, но и размыв аккумулятивных участков. На это указывают и довольно заметные перегибы профилей пляжа и верхней части подводного склона. Все эти признаки дают основание предполагать о существующем в отдельных частях региона дефиците наносов.

Изучение картографического материала, перспективных и плановых фотоснимков позволяет установить, что обширные пространства прибрежной суши и моря заняты современными аккумулятивными образованиями (хорошо развитые пляжи, бары, подводные береговые валы и др.). Прохождение волнового потока над мелководными участками всегда вызывает забурунивание волн у подводных валов в виде прерывающихся белых полос. При аэровизуальных наблюдениях побережья Карского моря по разрушающимся волнам хорошо устанавливается наличие на подводном береговом склоне 2-3 песчаных валов, параллельно располагающихся относительно береговой линии. Для исследуемой части побережья Югорского п-ова характерна концентрация в виде пятен и полос гравийно-галечного материала, позволяющая устанавливать положение линии заплеска волн при шторме. Глубоко врезанные в крутые обвально-осыпные склоны термоэрозионные овраги заканчиваются у подножия склонов конусами выноса, которые образуются ослабленными потоками при таянии льдогрунтовых образований (рис. 2).

Выраженность береговых форм в рельефе прибрежной суши зависит от эффективного воздействия на их развитие абразионно-аккумулятивных и неотектонических процессов, определяющих основные черты современного рельефа. Характер поверхности той или иной части побережья меняется в зависимости от продолжительности нахождения подводного рельефа в зоне волнового воздействия при неоднократных колебаниях уровня моря. Образование полигенетических поверхностей выравнивания (уровней позднеплейстоценовых и голоценовых трансгрессий) связано в основном с развитием мощных трансгрессий, чередующихся с регрессиями. Явные следы волнового воздействия отмечаются на поверхности приморской равнины Западного Ямала и в пределах территории Югорского п-ова [Ласточкин, 1978; Смирнов, 1986].

Одно из интереснейших явлений природы, отмечаемых на побережье Карского моря, и в частности в его юго-западном обрамлении, - присутствие в береговых обрывах, осложненных солифлюкционными процессами, складчатых деформаций [Крапивнер, 1986; Кузин и Астафьев, 1975; Полуостров Ямал…, 1975; Суздальский, 1974]. Под действием термоэрозионных и термоабразионных процессов в разрезе верхнечетвертичных отложений великолепно препарируются наклонные слои ритмично-слоистой толщи, крутые, быстро затухающие на глубине складки, состоящие из чередующихся, волнообразно залегающих пластов, суглинков и глин, с зажатыми между ними слоями светло-серых мелкозернистых песков. Амплитуда складок колеблется от 2-3 до 5- 6 м . В деформированных слоях наблюдается почти полное сохранение фрагментов слоистости алевритоглинистых осадков с тончайшими присыпками по поверхности напластования белого тонкозернистого песка.

Присутствие складчатых деформаций в различных частях береговых обнажений на Западном Ямале фиксируется в виде прибрежной полосы, вытянутой в северо-северо-восточном направлении и совпадающей с ориентировкой береговой линии (20-30°). Системы складчатых деформаций на Югорском п-ове ориентированы на запад-юго-запад (240-250°) и характерны для отложений, обнажающихся в верхней части разреза на приблизительно одной высоте.

Отличительной особенностью береговых обрывов Карского моря считается наличие среди алеврито-супесчано-глинистых пород пластовых залежей льда, имеющих иногда значительную мощность и немалую протяженность (0,8- 1,2 км ). Так, на одном из участков Югорского п-ова под толщей переслаивающихся алевритов и песков, которые по простиранию (В, СВ 80-105°) замещаются слабоглинистыми песками, пласт льда достигал мощности 3- 4 м . Располагаются залежи льда, как правило, на глубине 3- 7 м и зачастую являются основанием сильнодислоцированных, разнородных по составу и свойствам пород. В одних обнажениях весь ледовый массив целиком состоит из прозрачного, с радужным изломом льда, отливающего зеленым и голубым, в других - наблюдается горизонтальная ребристость, обусловленная различной устойчивостью чистого льда и льда с минеральными включениями к таянию. Включения рассеяны во льду в виде воздушных пузырьков различной формы, крупных песчинок и гравия, одиночных окатанных или угловатых светло- и темноокрашенных галек, не соответствующих по петрографическому составу вмещающим залежи льда отложениям. По контактам с вмещающими породами располагаются тончайшие прослои и гнезда пылевато-глинистых частиц. Нижний контакт пластовой залежи льда обычно ровный или слабоволнистый, не всегда четкий; вблизи верхнего, четкого контакта лед менее обогащается частицами. Обнаженная поверхность чистого льда относительно ровная, наклонена в сторону моря под углом 40-50°С. Оттаивание грунта вызывает постоянное скольжение на покатой поверхности льда разрыхленных, переувлажненных песчано-глинистых масс.

Геологические условия рассматриваемого побережья наряду с разнообразием состава и свойств вечномерзлых пород в береговых обрывах обусловили и соответствие того или иного типа берега. Результаты непосредственного изучения береговых процессов, анализ различных генетических форм рельефа, их гипсометрическое и взаимное расположение позволяют установить распространение различных типов берегов. В основе классификации берегов использованы такие геолого-геоморфологические признаки, как характер и интенсивность волнового воздействия, развитие исходного берегового контура, мерзлотно-геологическое строение, крутизна подводного берегового склона, а также влияние неволновых факторов: термическое воздействие воды на вечномерзлые породы, гравитационное смещение и др. На современной стадии развития различных форм берегового рельефа побережья Карского моря выделяются следующие типы берегов [Ласточкин, 1978; Смирнов, 1986], формирующихся под преимущественным воздействием волновых процессов: абразионные, термоабразионные, аккумулятивные, абразионно-аккумулятивные и аккумулятивно-абразионные.

Значительную часть береговой зоны региона занимают аккумулятивные берега - 53% общей протяженности побережья. Аккумулятивные берега, представляющие собой сложные образования, когда материал на их построение поступает со дна моря и при вдольбереговом перемещении, простираются на обширных участках заливов и бухт (Байдарацкая, Шарапов Шар, Мутный), приустьевой части рек Западного Ямала и п-ова Югорский, окаймляют лайды у мысов Скуратова, Рагозина, Бурунного, у о-вов Литке, Белый, Болотный. Максимальная протяженность аккумулятивных берегов достигает 50- 100 км .

Важной геоморфологической особенностью абразионных и термоабразионных берегов является отсутствие вблизи береговых обрывов пляжа либо слабое его проявление в виде узких прислоненных к их основанию песчаных полос шириной не более 5- 10 м . Эти берега наименее распространены и занимают не свыше 10-25% всего побережья.

Абразионные берега связаны с выходами скальных пород, главным образом на северо-западе п-ова Югорский. Термоабразионные берега, развитие которых обусловлено исключительно активностью прибоя и высокой льдистостью мерзлых грунтов, распространены в пределах приморской равнины весьма неравномерно: в основном в северной и центральной частях Западного Ямала и на отдельных участках Югорского п-ова.

Берега абразионно-аккумулятивные и аккумулятивно-абразионные представляют собой сочетание береговых форм, связанных между собой при образовании в определенных условиях. Различия между этими типами, которые не всегда можно установить, заключаются в изменениях очертаний аккумулятивных форм (размыв или нарастание). Развиты они повсеместно на континентальной и островной суше и составляют 37% протяженности всего побережья.

Изложенные выше сведения о современном строении и развитии рельефа береговых форм, направленности природных процессов, происходящих в этой части береговой зоны, позволяют определить и дать характеристику инженерно-геологических условий для выделенных типов берегов рассматриваемого региона.

Наблюдаемые здесь термоабразионные процессы приводят к постоянному отступанию береговых склонов. Значительная скорость термической абразии и изменение глубин в прибрежной зоне исключают всякую возможность возведения долговременных инженерных и гидротехнических сооружений вблизи берегов этого типа. Распространенные обвалы на скалистых абразионных берегах связаны главным образом не столько с морской абразией, сколько с сетью многочисленных трещин, подготавливающих обрушение крупных блоков. Поэтому при устройстве здесь береговых инженерных сооружений необходимо учитывать системность трещин.

Формирование динамически устойчивой береговой отмели, на которой полностью разрушаются волны, предопределяет развитие аккумулятивного низменного берега с широкими (десятки и сотни метров) песчаными пляжами, осложненными небольшими береговыми валами. Как показывает опыт длительной эксплуатации надводных построек, расположенных в береговой полосе с установившимся профилем равновесия, заметных морфологических изменений здесь не происходит. Такие участки являются вполне благоприятными с точки зрения использования их при оборудовании посадочных площадок для легких самолетов, прокладки автодорог, трасс линий электропередач и связи и тому подобных сооружений небольшой протяженности. Возможно здесь гражданское и промышленное строительство при соблюдении принципа сохранения мерзлого состояния грунтов в основании возводимых сооружений: выводов трубопроводов, баз складирования и других объектов.

В отличие от аккумулятивных чередующиеся относительно короткие абразионно-аккумулятивные и аккумулятивно-абразионные участки берегов характеризуются в определенной степени сложными гидродинамическими условиями. Здесь возможна деформация пляжа (повышение или понижение его абсолютных отметок) и верхней части подводного склона в результате кратковременного нарастания или размыва наносов, что может оказаться опасным для сооружений по причине образования ложбин размыва или повышенного давления за счет увеличения мощности наносов. Трассирование линейных сооружений на большие расстояния на узком, полого-наклонном пляже сопряжено с большими трудностями. В местах, где уступы сложены супесчано-глинистыми отложениями (Черный берег, м. Харасавэй и др.), пляж покрывается глинистым слоем текучепластичной консистенции, сползающим со склонов при солифлюкционных процессах. Подобные участки берегов в летне-осенний период и особенно во время штормов преодолеваются с трудом. Вместе с тем при необходимости общей оценки инженерно-геологической обстановки, требующей учета устойчивости склонов, здесь возможно прогнозирование размещения участков берегов, где переформирование будет проходить с различной интенсивностью и разными объемами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Береговая зона моря. М., 1981. 182 с.

3. Крапивнер Р.Б. Бескорневые неотектонические структуры. М., 1986. 201 с.

4. Кузин И.Л., Астафьев Н.Ф. Криогенные дислокации на западном побережье п-ова Ямал // Изв. ВГО СССР. 1975. Т. 107, вып. 6. С. 436.

5. Ласточкин А.Н. Структурно-геоморфологические исследования на шельфе. Л., 1978. 247 с.

6. Полуостров Ямал (инженерно-геологический очерк) / Под ред. В.Т. Трофимова. М., 1975. 326 с.

7. Смирнов В.М. Береговые процессы на побережье Зап. Ямала // Изв. ВГО СССР. 1986. Т. 118, вып. 5. С. 425-428.

8. Суздальский О.В. Литодинамика мелководья Белого, Баренцева и Карского морей // Геология моря. Л., 1974. Вып. 3. С. 27-30.

9. Трофимов В.Т. и др. Основные закономерности распространения, строения толщ и температура пород п-ова Ямал // Природные условия Зап. Сибири. М., 1975. Вып. 5. С. 31-46.

10. Шарков В.В., Гурьева З.И., Кильдюшевский Е.Н. Аэрокосмические методы геологического изучения шельфа. М., 1985. 275 с.

STRUCTURE AND EVOLUTION OF KARA SEA COASTS

V.M. Smirnov

The peculiarities of coastal processes on the south-western coast of the Kara Sea are described. The classification of the coasts which consists of sand-clay deposits with a numerous ice inclusions and characteristics of the engineer-geological conditions are given.

Ссылка на статью:

Смирнов В.М. Строение и развитие берегов Карского моря // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отдел геологический. 1988. Том 63. Выпуск 3. С. 118-125.