Введение
В настоящее время из-за потепления климата происходят изменения температурного состояния многолетнемерзлых пород. Этот процесс проявляется как уменьшение площади распространения многолетнемерзлых пород и сокращение мощности мерзлой толщи. В результате изменения мерзлотных условий, деградации многолетнемерзлых пород происходит активизация криогенных процессов, вытаивание подземного льда бугров пучения, увеличение площади таликов, изменение глубины сезонного протаивания [1].
Например, летом 2023 г. в Чакырском наслеге Чурапчинского улуса, вблизи с. Толон, из-за таяния ледяного ядра бугра пучения образовалась огромная впадина, вследствие чего произошло обнажение мощного слоя вечной мерзлоты. На территории Чакырского наслега существует несколько бугров пучения, объектом нашего исследования является самый крупный из них. В настоящее время для исследования состояния и строения геокриологических объектов активно используются геофизические методы, по данным которых доказано наличие сформировавшихся ледяных ядер внутри бугров пучения [2].
Проведение геофизических работ в Центральной Якутии с резко континентальным климатом имеет свои особенности. Продолжительная морозная зима (абсолютный минимум -66 ℃), с коротким жарким летом (абсолютный максимум +37 ℃) и малым количеством атмосферных осадков влияют на динамику развития и состояния геокриологических объектов. Для получения достоверной информации об изменении состояния и строения бугра пучения в этом регионе необходимо проводить мониторинговые наблюдения в разные времена года, с использованием наиболее подходящих инструментов для проведения полевых геофизических работ.
Основной целью геофизических исследований, представленных в данной статье, является оценка эффективности комплексного применения методов электроразведки для изучения состояния и строения бугров пучения аласов Центральной Якутии в режиме мониторинга.
Характеристика объекта исследования
Бугры пучения (булгунняхи, пинго) – выпуклые формы мерзлотного рельефа, обычно конической формы, которые формируются в районах прерывистого и сплошного распространения многолетнемерзлых пород [3, с. 350]. Все они в основании имеют более или менее крупное ледяное ядро. Изучаемый авторами объект состоит из комплекса двух бугров пучения (большого и малого) и имеет инъекционный тип образования, который сформировался в процессе промерзания влаги под действием гидростатического давления из замкнутых объемов межмерзлотных таликов при расширении мерзлых грунтов [4]. Максимальная высота бугра пучения, по данным исследований морфометрических характеристик, достигает 13 м. Верхняя часть бугра пучения сложена серовато-бурыми супесями.
До формирования впадины на поверхности большого бугра было мелкое озеро, образовавшееся в результате скопления атмосферных осадков и грунтовых вод. Это озеро ускорило процессы разрушения бугра и обнажения многометрового слоя мерзлоты, которые привели к образованию впадины с более крупным озером, над ледяным ядром. При визуальной оценке малого бугра пучения можно отметить образование оврага на его поверхности, что с течением времени может привести к разрушению и обнажению его ледяного ядра.
Материалы и методы исследования
Методы сопротивлений являются ведущими методами электроразведки при проведении инженерно-геологических изысканий в криолитозоне. Это объясняется существенным различием электрических свойств мерзлых и талых горных пород [5]. Основным фактором при обосновании выбора рационального комплекса применяемых электроразведочных методов являлась возможность проведения измерений в разные времена года. Исходя из этого фактора авторами было предложено проводить измерения в летнее время методами сопротивлений в варианте электротомографии, а в зимнее время – бесконтактным измерением электрического поля. Полевые работы проведены в четыре этапа, каждый из которых имеет свою специфику проведения отдельных методов и методик (таблица).
Схема профилей отдельных методов представлена на рис. 1. Профили проходят по центру впадины внутри бугра пучения с юго-запада на северо-восток.
Этапы проведения мониторинговых геофизических измерений
|
№ этапа |
Наименования методов работы |
Аппаратура |
Период работ |
|
1 |
Бесконтактное измерение электрического поля (БИЭП) |
БИКС |
Март 2024 |
|
2 |
Электротомография (ЭТ) |
Омега-48 |
Май 2024 |
|
3 |
Акваторная георадиолокация (ГРЛ) |
Георадар ОКО-2 АБ-150МГц |
Июнь 2024 |
|
4 |
Электротомография (ЭТ) |
Омега-48 |
Сентябрь 2024 |
Рис. 1. Схема расположения профилей на объекте Длина профилей для отдельных методов составила: ГРЛ – 35 м, БИЭП – 144 м, ЭТ – 235 м
Электротомографические исследования выполнены с помощью многоэлектродных станций для получения двухмерных или трехмерных геоэлектрических моделей. Использовалась 10-канальная 48-электродная станция Омега-48 (ООО «ЛОГИС»), с электроразведочными косами длиной 120 м и с шагом между электродами 5 м. Профиль съемки проходил через центр впадины с озером и охватывал северо-западную часть малого бугра пучения. Длина донной части профиля 35 м, а средняя глубина озера по профилю составила 2,8 м.
Для проведения измерений в летний период, когда озеро внутри впадины не имеет ледяного покрова, применялась методика донной электротомографии [6] с герметичными электроразведочными косами, которые погружались на дно водоема с помощью якоря из стекла. Такие косы имеют способность работать в водной среде. Электроразведочная коса разматывалась к прибору, стоящему на прибрежной части озера внутри впадины (рис. 2).
Для определения электродов в качестве приемных и питающих применяются протоколы съемок. Электротомография с погруженной установкой выполнялась с установками Шлюмберже и дипольной осевой. Данное комбинирование установок считается оптимальным при исследованиях на акваториях [7].
Рис. 2. Процесс измерений методом электротомографии
Метод бесконтактного измерения электрического поля (БИЭП), в отличие от метода электротомографии, возможно применять в зимний период, когда заземление электродов является невозможным [8]. Для проведения бесконтактных измерений применялась аппаратура БИКС с рабочей частотой 16,6 кГц (АО «Специальное конструкторское бюро сейсмического приборостроения»). Методика измерений представляет собой электропрофилирование восьми разными разносами. Работы методом бесконтактного измерения проводились в марте 2024 г. по одному профилю с шагом 3 м. Температура наружного воздуха составила днем -7ºС, ночью -30ºС.
Для проведения измерений методом БИЭП применялись емкостные электроды в виде антенн длиной 2,5; 5 и 10 м. Установка БИКС представляет собой дипольную осевую установку с питающим и измерительным диполями одинаковой длины.
Георадиолокационные исследования [9] проводились на водной части профилей для определения глубины озера, где георадар использовали в качестве эхолота, с целью построения геоэлектрических разрезов с учетом рельефа местности [10]. Для решения этой задачи использовался георадар ОКО-2 (Группа компаний «ЛОГИС-ГЕОТЕХ») с АБ-150МГц, установленный на надувной резиновой лодке.
Результаты исследования и их обсуждение
Полевые работы методом акваторной георадиолокации проведены в июне 2024 г. для изучения рельефа дна озера. Длина профиля составила 35 м, а максимальная глубина озера составила 3 м (рис. 3).
По результатам электроразведочных исследований были составлены геоэлектротомографические разрезы (ГЭТР) с учетом изменения рельефа местности (рис. 4). Максимальная глубина разреза достигнута в пределах 30–35 м. Известно, что области с относительно низкими значениями удельного электрического сопротивления в 10–300 соответствуют талым, а с высокими значениями, превышающими 1000 Ом∙м, относятся к мерзлым породам, различной степени мерзлости и льдосодержания [4].
Геоэлектрический разрез, полученный в результате бесконтактных измерений электрического поля (рис. 4, а), имеет глубинность 15 м.
Рис. 3. Результаты акваторной георадиолокации
Рис. 4. Геоэлектрические разрезы по результатам электроразведочных работ: а) результаты БИЭП (март 2024 г.); б) результаты ЭТ (май 2024 г.); в) результаты ЭТ (сентябрь 2024 г.)
Верхняя часть разреза с высокими значениями УЭС представляет мерзлые, льдистые породы мощностью до 5 м. В районе ПК80-100 верхняя часть представлена замерзшим озером мощностью 3 м, ниже которого прослеживается подозерный талик мощностью 5–7 м. Слева и справа подозерного талика в районе пикетов ПК60 и ПК120 на глубине 5–7 м наблюдаются низкие значения УЭС (20–50 Ом∙м), что связано с наличием талых пород.
Результаты работ методом электротомографии в виде геоэлектрических разрезов представлены совместной инверсией данных установок Шлюмберже и дипольная осевая. Первый этап работ методом электротомографии проведен в мае 2024 г. (рис. 4, б). Температура наружного воздуха составила днем +22 ºС, ночью +9 ºС. В центральной части разреза в районе пикетов 75–105 выделяются крайне низкие значения УЭС (10–40 Ом∙м) от талых донных отложений, представляющих подозерный талик мощностью до 7 м. Ниже подозерного талика наблюдается мощная высокоомная зона (до 10000 Ом∙м), что предположительно вызвано влиянием ледяного ядра бугра пучения мощностью до 12 м. Ниже по разрезу на глубине 20 м удельное электрическое сопротивление пород уменьшается до 50 Ом∙м, что связано с наличием талых пород. На правой стороне профиля (ПК145-160) наблюдается зона высоких сопротивлений. Эта зона подтверждает наличие ледяного ядра малого бугра пучения, которое достигает глубины 10 м от поверхности.
Второй этап работ методом электротомографии проведен в сентябре 2024 г. (рис. 4, в). Температура наружного воздуха составила днем +7 ºС, ночью +6 ºС. Верхняя часть на правой и левой сторонах разреза представлена низкими значениями УЭС (20–50 Ом∙м) от талого состояния пород до глубины 5 м (ПК0-56 и ПК171-235). В центральной части разреза в районе пикетов ПК75-105 выделяются крайне низкие значения УЭС (10–40 Ом∙м) от талых донных отложений, представляющих подозерный талик мощностью до 2,5 м. Ниже подозерного талика наблюдается мощная высокоомная зона (до 10000 Ом∙м), что предположительно вызвано влиянием ледяного ядра бугра пучения мощностью более 25 метров. На правой стороне профиля (ПК137-155) наблюдается зона высоких сопротивлений. Эта зона подтверждает наличие и расширение ледяного ядра малого бугра пучения, которое достигает глубины 12,5 м от поверхности малого бугра. На правой стороне от границы ледяного ядра малого бугра пучения сопровождается менее высокими удельными электрическими сопротивлениями до 2000 Ом∙м.
Рис. 5. Результаты интерпретации геофизического мониторинга состояния строения бугра пучения
При сравнении геоэлектрических разрезов, полученных в период мониторинга, можно отметить, что за летний период произошли значительные изменения строения большого бугра пучения (рис. 5).
Подозерный талик на ПК 75–105 по мощности уменьшился до 2,5 м. Граница ледяного ядра увеличилась в ширину до 54 м и в глубину до 30 м. Наблюдается незначительное увеличение в размере ледяного ядра малого бугра пучения, а также с проявлением справа от нее (ПК145-160) менее высоких значений УЭС. Эти изменения объясняются тем, что в период весеннего таяния снежного покрова в подземные грунты поступает большое количество грунтовых вод, образуя межмерзлотные талики. А осенью эти межмерзлотные талики, окруженные многолетнемерзлыми породами, начинают промерзать и расширяться, увеличивая размер ледяного ядра. Такой процесс, при котором промерзание происходит с расширением грунта в ширину и в глубину, называют «морозное расширение» грунта, характеризующее движение промерзающего грунта в нескольких направлениях [11]. Льды в правой и в левой стенках впадины, обнажившиеся в результате разрушения бугра пучения, из-за попадания прямых солнечных лучей за летний период полностью растаяли.
Заключение
Полученные результаты геофизических наблюдений показали эффективность комплексирования методов сопротивлений для выявления и картирования подповерхностных геокриологических объектов: ледяных ядер бугров пучения, удельное электрическое сопротивление которых находится в пределах от 3000 до 10000 Ом∙м и более, а также подозерных таликов с УЭС 10–40 Ом∙м.
Проведенные исследования показали, что для мониторинга криогенного состояния и строения бугра пучения оптимально проводить измерения в разные сезоны года: бесконтактные измерения – зимой; электротомографию – летом.
Комплексный анализ и интерпретация данных геофизических исследований показали хорошую корреляцию результатов бесконтактного измерения электрического поля и электротомографии. Мониторинговые измерения показали уменьшение подозерного талика в размере за летний период и динамику увеличения ледяных ядер бугров пучения осенью.
Увеличение размера ледяного ядра может способствовать морозному расширению грунтов, изменяя строение бугра пучения. Для анализа происходящих в дальнейшем криогенных процессов в исследованных буграх пучения рекомендуется продолжить мониторинговые измерения с использованием методов электроразведки. С целью изучения изменения рельефа дна озера необходимо проведение повторных акваторных георадиолокационных измерений.
За поддержку и помощь в организации полевых работ авторы благодарны главе администрации МО «Чакырский наслег» Чурапчинского района РС (Я) Лебедеву К.И., жителям с. Толон Саввинову И.С., Еремееву С.Е., Сохсойоону Х.Ч., Кузьмину С.Р.
Библиографическая ссылка
Саввинов И.И., Федорова Л.Л. МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЯ СТРОЕНИЯ БУГРОВ ПУЧЕНИЯ МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ В ЧУРАПЧИНСКОМ РАЙОНЕ ЯКУТИИ // Успехи современного естествознания. – 2024. – № 12. – С. 119-125;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38358 (дата обращения: 21.01.2025).