Целью работ по теме "Мониторинг экзогенной геодинамики в поверхностном и подземном карсте территории Пинежского заповедника" является получение информации о развитии экзогенных геологических процессов (ЭГП). К ним относятся обвалы, оползни, провалы в коренных породах, суффозионно-провальные и просадочные явления, размывы и переотложения вторичных отложений. Информация о распределении активных зон современного проявления ЭГП может применяться при решении инженерно-геологических и прикладных задач хозяйственного освоения территории Пинежского района, а так же для оптимизации проведения научного и экологического туризма.

Для ведения долгосрочных рядов наблюдений развития ЭГП, разработки комплексных методов региональных мониторинговых исследований и прогноза развития процессов особо охраняемые природные территории (ООПТ) являются идеальными полигонами. Возможность изучать естественный, природный ход развития ЭГП чрезвычайно важна, однако, в большинстве случаев, их активность начинает привлекать внимание только после проявления негативных последствий антропогенных воздействий.

Территория Пинежского заповедника и его охранной зоны является природной лабораторией, уникальной по возможностям мониторинга развития экзогенных геологических процессов, позволяющей регистрацию изменений состояния карстосферы в поверхностной и подземной составляющей.

В Пинежском государственном заповеднике мне была предоставлена уникальная возможность проведения мониторинговых исследований абиотической составляющей природного комплекса. Это являлось и чрезвычайно интересной и, в то же время, весьма ответственной задачей, поскольку, в отличие от изучения биотического комплекса, для подобных исследований в заповедниках практически отсутствовали методические разработки. Работы проводились в рамках разделов "Рельеф" и "Воды" "Летописи природы..", что полностью отражает специфику современных экзодинамических процессов, происходящих на рассматриваемой территории.

Рис.1. Произошло вскрытие нового входа в пещеру Бол.Пехоровская? 2007 год

Район исследований расположен на северо-западе Русской равнины, в пределах западного крыла Мезенской синеклизы, на юго-востоке Беломорско-Кулойского плато (БКП). Развитие карста здесь определяется максимально благоприятными условиями: широким распространением карстующихся пород, выходящих на поверхность или покрытых маломощным чехлом четвертичных осадков, значительной тектонической неоднородностью, нетипичной для платформенных условий, циркуляцией пресных агрессивных вод. В результате здесь сформировался уникальный комплекс карстового рельефа, отличающийся разнообразием и высокой плотностью поверхностных и подземных форм карста, активностью современного развития карстового процесса в парагенезисе с группой карстоподчиненных экзогенных геологических процессов.

Целью исследований является выявление особенностей развития карста в районах, подвергавшихся материковым оледенениям. Для ее достижения решались следующие задачи: сбор, обобщение и анализ материалов, характеризующих природные условия исследуемой территории; разработка методики комплексного изучения карста и генетически связанных с ним экзогенных геологических процессов; исследование морфологии, типологии, распространения и районирования карста; оценка особенностей развития карста под воздействием генетически связанных с ним экзогенных геологических процессов; разработка рекомендаций по изучению карста, охране и рациональному использованию закарстованных территорий.

В целом карстологическую изученность территории можно отнести к уровню удовлетворительной, однако, из поля зрения большинства исследователей выпадало изучение развития карста в парагенезисе с комплексом сопряженных ЭГП, их динамика в современных условиях. Отмечая активность развития карста, наличие провальных, склоновых, эрозионных процессов и другие проявления экзогенной геодинамики, исследователи не могли уделять достаточного внимания их развитию во времени. Специальные, направленные работы по этому направлению начали проводиться с начала 90-х годов XX века, когда резко увеличилась активность многих ЭГП. Информация о состоянии вопроса в предшествующий период спелео-карстологического изучения, относительно спокойный по активности процессов, реконструируется по опросным данным и косвенным признакам.

Методы. Особенности развития карста территории юго-востока БКП связанны, в первую очередь, с локальным проявлением процессов и развитием явлений, свидетельствующих о его активности. Потребовался специальный подбор методик и оценочных критериев, отображающих современное развитие карста в комплексе с рядом генетически связанных ЭГП. Особенности исследований карста и парагенетически связанного с ним комплекса экзогенных геологических процессов в пределах заповедных территорий заключаются в необходимости выбора максимально щадящих методов получения информации о состоянии и развитии природных процессов. При изучении уникальных объектов (в нашем случае пещер) щадящие методы необходимы и для полостей, не имеющих официального охранного статуса.

Наблюдения проводились как в поверхностной, так и в подземной составляющей карстового геокомплекса. Исследования ведутся по следующим трем направлениям:

1. Изучение динамики экзогенных геологических процессов (обвалы, оползни, провалы, переотложения неконсолидированного материала) на постоянных и разовых маршрутах. Изучаются зоны развития, генезис, параметры, затронутые горные породы и четвертичные отложения, наблюдаются последствия нарушений.

2. Мониторинг микроклимата, гидрологии пещер, динамики развития ледяных отложений, проявлений экзогенных геологических процессов в пещерах. Температура и влажность воздуха, уровень дебит, минерализация и температура воды. Рост-таяние льда в пещерах, объем нарушений вызванных ЭГП.

3. Изучение гидродинамики, гидротермики и гидрохимии поверхностных карстовых источников, рек и озер, временных снеговых и дождевых паводковых потоков. Определяются дебит (для водных потоков), уровень, минерализация и температура воды.

На основании полевых материалов выявляется годичная и многолетняя динамика проявления ЭГП. Впоследствии результаты наблюдений анализировались и сопоставлялись с геологической и карстологической информацией, с метеорологическими и гидрологическими данными.

Рис.2. Временный поток в логу Мельничная Белка, вторая волна паводка 2007 года

Ведущим направлением экспериментальных работ по выявлению активности ЭГП были избраны прямые натурные наблюдения, на постоянных и разовых маршрутах, площадках и наблюдательных пунктах в подземном и поверхностном карсте. Обследование проявлений активности ЭГП производится на постоянных маршрутах в логах Святого Ручья (750 м.), Тараканья Щелья (1 км.), на отрезке берега р. Пинеги между Мал. и Бол. Голубинскими пещерами (750 м.), в долине р. Сотки (30 км), а также в пределах Сабуровской депрессии и Северных логов. При наблюдениях регистрируется местоположение проявления процесса, измеряются параметры нарушения – размеры и объем выявленных нарушений (при недоступности объекта дается визуальная оценка размеров нарушения), литология пород, подвергшихся деформации. Оцениваются причины и характер проявления процесса, время выявления и/или развития, и возможные последствия и осложнения развития ЭГП для природного комплекса. Ведущим направлением экспериментальных работ по выявлению активности ЭГП были избраны прямые натурные наблюдения, на постоянных и рекогносцировочных маршрутах, площадках и наблюдательных пунктах в подземном и поверхностном карсте. Методы прямых натурных наблюдений развития ЭГП имеют большое значение для исследования районов, где нет возможности проведения бурения или массированного вскрытия коренных пород, а также при локальности проявления процессов. Методы прямых натурных наблюдений могут быть эффективны только в случае их комплексного применения с блоком региональных геологических и карстологических исследований, дающих основу для мониторинга развития экзогенной геодинамики.

Подземные стационарные наблюдения проводятся в трех пещерах на территории Голубинского заказника: Ледниковой Волне, Бол. Голубинской и Голубинской-1 (Певческая эстрада). Периодичность наблюдений имеет интервал один раз в месяц. Они включают комплекс микроклиматических, гидрологических и гляциологических наблюдений на постоянных пикетах и створах, изучение гравитационной и паводковой активности, динамики массопереноса. Работы проводятся по рекомендациям, изложенным в "Методике изучения карста" (1963), "Проблемах изучения карстовых полостей…" (1983) с дополнениями. В контрольных пещерах (последние посещаются 2-3 раза в год) наблюдения производятся для подтверждения общих тенденций и закономерностей динамики развития процессов.

Опробование постоянных и временных (паводковых) разгрузок карстовых вод проводится по Методическим рекомендациям по изучению поверхностных и подземных вод в карстовых районах (1969) и (Бегам, Муромов, Копац, 1976) на постоянных точках наблюдения в паводок и межень (6 гидростворов). Они охватывают все участки субаэральной разгрузки Голубинского карстового участка. На р.Сотке в паводок и межень проводится отбор проб и определение температуры воды с шагом в 5 км. Наблюдения за динамикой уровня, температуры воды и общей минерализации р.Сотки (ур. Филлиповское), озер Железного и Сычево проводятся с интервалом в 10-15 дней.

Рис. 3. Установка логгера в мониторинговой пещере

Ведение баз данных. Для хранения, обработки и анализа материалов полевых наблюдений разработаны формы ведения электронных баз данных по динамике состояния пещер (табл.1), выявленным проявлениям активизаций ЭГП (табл. 2), и ряд вспомогательных баз по динамике водопроявлений, минерализации поверхностных и подземных вод. В общей сложности, в настоящее время ведется 6 электронных баз данных.

Для оценки развития и распространения карста проводились комплексные исследования территории Пинежского заповедника, ее оценка как модельной площади развития карста. Они выполнялись на основе региональных исследований карста (Малков, Николаев, Кузнецова, 1983, 1986, 1987). При проведении работ по теме "Геокарстологическое картирование территории Пинежского заповедника" получены материалы, которые включают новую и уточненную для территории исследований геологическую и карстологическую информацию. Был разработан блок картографических материалов, включающий карты масштаба 1:100 000 и 1:50 000. В него входят карты: 1) карта развития карстующихся пород (с геологическими разрезами), 2) карта развития карста, 3) карта карстологического районирования, 4) карта локального карстового стока и карстовых водоносных систем, 5) геоморфологическая карта, 6) карта современной динамики карста и сопряженных ЭГП. Ведется электронный "Кадастр пещер Пинежского заповедника", начаты работы над "Атласом проложений пещер и привязок пещерных входов".

В результате исследований выявлены основные особенности распространения и развития карста и парагенетически обусловленных ЭГП территории.

Поверхностный карст представлен микро- мезо-, и макрформами, в целом, имеющими площадное развитие. Широко развиты типичные, встречающиеся повсеместно поверхностные формы карста как воронки, котловины, а также редкие формы: шелопняки, шелопы, карстово-ледниковые, провально-карстовые и реликтовые карстовые долины, польеобразные депрессии. Имеются уникальные остаточные карстовые формы – гипсовые останцы и башни. Величина площадной поверхностной закарстованности составляет 500-700 форм на 1 км², на участках максимального развития карстовых форм превышает 1500 форм на 1 км² что является экстремально высоким значением для территории Европейской части России [10]. Плотность подземных форм составляет 1 пещеру на 10 км². В бортах речных долин, карстовых логов широко развиты карстовые полости, ниши, гроты, колодцы, пещеры. На территории Пинежского заповедника и его охранной зоны обнаружено более 90 пещер, их общая протяженность свыше 47 км.

Установлена подчиненность экзодинамики пространственно-временным закономерностям, связанным как с геологическим строением территории, так и с особенностями естественноисторического развития, так и с внешними энергетическими воздействиями на карстующиеся массивы [7,8,11]. Пространственно проявления динамики карста и ЭГП обусловлены внутренним строением территории: литологией коренных пород, мощностью четвертичного покрова, тектоническим строением территории и неотектоническими движениями, гидродинамической неоднородностью массивов сульфатных пород. Зоны развития активизаций могут быть точечными или линейными, в зависимости от степени подготовленности карстовой среды. Закономерности развития ЭГП во времени обусловлены внешними инициирующими воздействиями: температурой воздуха и поступающих в массив вод, скоростью и амплитудой снеговых паводков и внутригодовым распределением осадков.

По частотности выделяются зоны однократных, периодических и непрерывно действующих проявлений ЭГП, связанных с повторяющимся действием внешних факторов либо с внутренними напряжениями сохраняющимися в массивах карстующихся пород. Период наблюдений совпал для рассматриваемой территории с ростом активности ЭГП, приводящим к существенным изменениям в облике подземного и поверхностного карстового рельефа, к широкомасштабному вскрытию погребенного карста. Наиболее интенсивен рост растворения гипсоангидритов, их механическое разрушение, как гравитационное, так и эрозионное, а также размыв, транспорт и аккумуляция вторичных отложений. Проявления гравитационных процессов в объемном и количественном отношении преобладают почти на порядок. Более 75% (по объему и количеству) активизации ЭГП фиксируется в долине р. Сотки. На долю карстовых логов и пещер приходится по 12-15%. За 18 лет направленных наблюдений выявлено свыше 2000 проявлений ЭГП, их объемы достигают сотен м³, при этом более 55% составляют мелкие и средние активизации (менее 10 м³).

Рис.4. Типичные блоковые вывалы в борту реки Сотки. Хорошо виден отмыв при снижении уровня воды, позволяющий определить время обрушения блоков. В данном случае оно произошло в мае 2006 года

Рис.5. Динамика ЭГП юго-востока Беломорско-Кулойского плато

Разработана модель типов активности экзодинамических обстановок, основанная на типизации условий развития карста и ЭГП. Они образуют убывающий ряд: активная --> активизированная --> стабилизированная --> стабильная. 99% выявленных нарушений проявляются в активной и активизированной обстановках. На основании этой модели, анализа результатов натурных наблюдений и экспертной оценки активности карста составлена карта современной динамики карста и сопряженных ЭГП.

Мониторинговые исследования влияния факторов, определяющих активность ЭГП, позволяют выходить на прогнозный уровень. Прогнозные возможности развития ЭГП в настоящее время ограничены коротким (менее 20 лет) временным рядом наблюдений, дающим возможность только для краткосрочных прогнозов.

Так, наиболее вероятным следствием быстрого схода снегового покрова будет являться развитие процесса в цепочке: высокоскоростной паводок --> размывы основания склонов --> рост оползневых и обвальных процессов в течение 2-3 лет после скоростного паводка.

При высоком паводковом подъеме уровня вероятен прогноз: таяние льда-цемента в пещерах, полостях, трещинах --> развитие обвально-осыпного и провально-просадочного процессов на поверхности и обрушений в пещерах.

При высокоскоростном паводке в пещерах вероятен размыв вторичных отложений --> их переотложение в зоне паводкового подпора или вынос заполнителя из системы.

Значительный объем блоковых вывалов непосредственно в русло реки активизирует развитие событий: полное или частичное перекрытие русла --> интенсивный размыв противоположного берега ближайшим снеговым или дождевым паводком.

При ливневых дождях (выпадение осадков за один день может достигать месячной нормы) наиболее вероятно развитие оползней и множественных мелких вывалов породы.

Сильные грозы с ураганным ветром --> обрушение блоков породы в прибортовой зоне обнажений, связанные с вывалом крупных деревьев.

Последствия воздействия аномальных по активности инициирующих факторов сказываются, как правило, в течение 2-3 до 10 лет.

Рис.6. Делювиальный оползень-поток в гипсовом обнажении в долине р.Пинеги, теплый март 2007 года

Наблюдаемый в последние годы рост проявлений экзодинамических процессов привел к существенным изменениям в облике подземного и поверхностного карста. Вскрылись ранее известные и новые пещеры, закрыт ряд длительно существовавших пещерных входов, кроме того, изменились микроклиматические и гидродинамические характеристики пещер. Значительно увеличилась крутизна активных склонов речных долин и входов пещер, в связи с подрезкой их основания паводковыми водами. Кроме того, изменились плановые очертания бортов карстовых логов и скальных обнажений в речных долинах.

Полученная информация используется в качестве основы сети карстового мониторинга, при решении прикладных задач хозяйственного освоения территории района, для оптимизации проведения научных исследований и экологического туризма.

Рис.7. Блоковые вывалы у водопада в логу Святого Ручья, развивались в последнюю декаду мая 2006 года

Перспективы усовершенствования ведения мониторинга связаны, в первую очередь с реорганизацией форм ведения баз данных динамики карста и ЭГП, создания многослойной, полифункциональной комплексной базы данных. Она должна включать информационную (табличную), графическую (карты и схемы), а так же фото и видео картину развития карста и ЭГП территории заповедника. Создание эталонного информационного блока (электронного мониторингового кадастра) отражающего состояние спелеокомплекса, оптимизирующего возможности долгосрочного мониторинга развития карстового процесса.

Формирование Мониторингового Кадастра Пещер территории заповедника и его охранной зоны Картирование новых пещер, уточнение некондиционной съемки, с полной или фрагментарной пересъемкой ряда пещер территории; привязка пещерных входов. Работы включают топосъемку пещер, уточнение их пространственного размещения, пополнение Атласа пещерных входов территории, наблюдение геодинамических процессов формирующих пещеры в современных условиях. В настоящее время информация о состоянии пещер заповедника отличается значительной неоднородностью, различной степенью кондиционности материалов. В части пещер изучение проводилось без соблюдения унифицированных программ и методик исследований и обработки материалов.

Работы по Мониторинговому картированию пещер государственного природного заповедника "Пинежский" направлены на создание опорной базы для долгосрочного мониторинга состояния пещер территории. Целью работ является расширение кондиционного блока картографических материалов, отражающих современный уровень изученности подземной составляющих карстового геокомплекса, на основании которых возможно изучение дальнейшего их развития. Предполагается проведение повторной топографической съемки пещер, в которых произошли значительные перепланировки подземного рельефа, связанные с развитием гравитационного процесса и массопереноса. Необходимо также уточнение некондиционной съемки ряда пещер.

Кадастр пещер позволит координировать научные исследования как мониторингового, так и поисково-топосъемочного направлений, выявлять изменения подземного геокомплекса, выделить критерии оценки экологической ценности подземных объектов, безопасность экологического туризма (для Голубинского заказника).

Работы проводятся без дополнительного финансирования, поэтому вдвойне неоценима помощь в исследовании пещер наших спелеологов. Неоценима поддержка, информационная, моральная, экспедиционная, которую оказывал Евгений Иванович Гуркало. Даже сейчас, спустя полгода после его ухода я "вдруг" обнаруживаю срочно необходимую информацию в материалах, которые он для нашей совместной работы передавал. Он участвовал в 2 экспедициях из 3, проведенных с целью уточнения современного состояния и изученности пещер.

Первая экспедиция на Ераськинский участок (2004 год) была особенно сложной, поскольку наши люди не привыкли идти по чужим следам. Но это оказалось интересным и полезным, в том числе и в философском плане. А какая гордость за предшественников, питерских спелеологов была у нас, когда многие их привязки четко совпадали с GPS! А рельеф там такой, что один наш лесник говаривал "сам-то не бывал, а вот отец был, так заказывал". В этой экспедиции участие принимали Евгений Гуркало, Александры Рудный и Кабанихин, Елена Лускань, Олег Бутаков, Владимир Титов.

Трудно было объяснить моему руководству, что экспедиции на р. Сотку – отнюдь не "семейный пикник"! Просто у спелеологов дети часто вырастают в пещерах и становятся соратниками и неоценимой опорой. В "семейных пикничках" 2005 и 2006 года участвовали семьи Гуркало – Евгений, Вера и Полина; Бутаковы – Олег. Игорь и Надежда, Вяххи – Иван и Елена.

Когда я 23,5 года назад приехала работать в Пинегу, меня спросили: "С кем будешь работать? С питерскими? С архангельскими?" - "Со всеми, кто склонен по настоящему работать". Пинежского карста хватит на всех…

Рис.8. Участники спелеологической экспедиции на Сотку в 2006 году. Слева направо: Игорь Бутаков, Вера Гуркало, Полина Гуркало, Олег Бутаков, Иван Вяххи, Елена Вяххи

1. Малков В.Н., Гуркало Е.И., Монахова Л.Б., Шаврина Е.В. и др. Карст и пещеры Пинежья. М.: Ассоциация "Экост". 2001. 208 с.
2. Методика изучения карста. Пермь, 1963. Вып.1-9.
3. Методика микроклиматических наблюдений в естественных и искусственных полостях в трещиноватых закарстованных породах и во льдах. Пермь, 1982. 8 с.
4. Методические рекомендации по изучению поверхностных и подземных вод в карстовых районах. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 150 с.
5. Методическое руководство по геоморфологическим исследованиям. Л., Недра. 1972. 384 с.
6. Толстых Е.А., Клюкин А.А. Методика измерения количественных параметров экзогенных геологических процессов. М.: Недра, 1984. 120 с.
7. Шаврина Е.В. Особенности развития и пространственно-временные закономерности проявления и развития экзодинамики в сульфатном карсте // Геодинамика и геоэкология. Материалы международной конференции. Архангельск: ИЭПС УрО РАН 1999. С. 406-408.
8. Шаврина Е.В. Особенности развития экзодинамических процессов в сульфатном типе карста // Гидрогеология и карстоведение. Пермь, 2000. С.274-282.
9. Шаврина Е.В. Воды территории заповедника // Структура и динамика природных компонентов Пинежского заповедника (северная тайга ЕТР, Архангельская область). Биоразнообразие и георазнообразие в карстовых областях. Архангельск, 2000. С.38-46.
10. Шаврина Е.В., Малков В.Н. Геологическое строение и рельеф // Структура и динамика природных компонентов Пинежского заповедника (северная тайга ЕТР, Архангельск. обл.). Биоразнообразие и георазнообразие в карстовых областях. Архангельск, 2000. С. 21-30.
11. Шаврина Е. В. Экзогенные геологические процессы в пещерах юго-востока Беломорско-Кулойского плато // Перспективы развития естественных наук в высшей школе. Труды международн. научн. конф. Пермь, 2001. С.131-136.

_________________________________

¹ На основе статьи в сборник юбилейной конференции в Пинежском заповеднике в 2004 году