CC BY-NC
24Арктика и Антарктика
Правильная ссылка на статью:
Фролов Д.М., Кошурников А.В., Гагарин В.Е., Набиев И.А., Додобоев Э.И. — Изучение криосферы Зеравшанского и Гиссарского хребтов (Тянь-Шань) // Арктика и Антарктика. - 2022. - № 4. - С. 1 - 10. DOI: 10.7256/2453-8922.2022.4.39279 EDN: UWMRZU URL: https://nbpublish.com'llbrary_read_article.php?id=39279
Изучение криосферы Зеравшанского и Гиссарского хребтов (Тянь-Шань)
Фролов Денис Максимович
научный сотрудник, Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 1904Б
И denisfrolovm@mail.ru Кошурников Андрей Викторович
ведущий научный сотрудник кафедры геокриологии, Московского государственного университета имени
М. В. Ломоносова
119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 205 И koshurnikov@msu-geophysics.ru
Гагарин Владимир Евгеньевич
кандидат геолого-минералогических наук
старший научный сотрудник кафедры геокриологии, Московского государственного университета имени
М. В. Ломоносова
119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, ауд. Ц23 И gagar88@yandex.ru
Набиев Ислом Абдуджаборович
аспирант, кафедра геокриологии, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 205
И islommada97@gmail.com
Додобоев Эхсон Икромович
аспирант, кафедра геокриологии, Московского государственного университета имени МБ. Ломоносова
119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 205
ЕЗ edi.dodoboev@mail.ru
Статья из рубрики "Многолетнемерзлые породы и подземные льды Арктики, Антарктики и горных регионов" DOI:
10.7256/2453-8922.2022.4.39279
ГПК1.
UWMRZU
Дата направления статьи в редакцию:
29-11-2022
Дата публикации:
30-12-2022
Аннотация: В работе приведены краткие результаты изучения криосферы Зеравшанского и Гиссарского хребтов. При этом была рассмотрена скорость изменения площади ледников за последние почти сто лет и наличие и деградация мерзлоты за это время. Также было дано и собственно описание численного метода для оценки глубины промерзания грунта на основе данных о толщине снежного покрова и температуре воздуха. Был приведен пример использования этого численного метода оценки глубины промерзания грунта на склонах с целью составления карты криолитозоны Зеравшанского и Гиссарского хребтов. Согласно проведённым расчётам, грунт под снежным покровом остается мёрзлым на Анзобском перевале с декабря по апрель. Мощность накапливаемого снежного покрова может достигать при этом полутора метров и более. При этом грунт под покрытой снежным покровом поверхностью промерзает согласно расчётам в среднем на 1,5 м. Таким образом, предложенный метод расчёта динамики глубины промерзания грунта на основе данных о температуре воздуха и толщине снежного покрова позволил оценить промерзание грунта как фактора устойчивости грунта при строительстве селе- и лавинозащитных сооружений. Таким образом, перевал Анзоб относится к области сезонного промерзания пород, учитывая градиент среднегодовой температуры пород можно заключить, что появление многолетнемерзлых пород на Гиссарском хребте мы можем ожидать на высотах более 4 000 метров.
сип
Ключевые слова:
численный метод, глубина промерзания, толщина снежного покрова, температура воздуха, картографирование, высокогорная мерзлота, термометрия, криолитозона, Тянь-Шань, геофизические исследования
Работа выполнена при финансовой поддержке госбюджетной темы «Опасность и риск природных процессов и явлений» (121051300175-4) и «Эволюция криосферы при изменении климата и антропогенном воздействии» (121051100164-0).
Введение Согласно данных СМИ, всемирная метеорологическая организация (ВМО) признала последние восемь лет самыми жаркими с момента начала метеонаблюдений. Среднемировая температура в 2022 году будет примерно на 1,15 градусов Цельсия выше, чем в доиндустриальный период (1850-1900). Это означает, что каждый год, начиная с 2016-го, был рекордно жарким. Эксперты ВМО констатируют, что выбросы парниковых газов в атмосферу привели к повышению уровня мирового океана и таянию льдов, вследствие чего экстремальную погоду фиксировали в различных частях мира. В Гренландии на высоте 3,2 тыс. метров над уровнем моря впервые прошел дождь. Таким
образом, поскольку основными элементами криосферы в высокогорных районах являются мерзлые грунты, подземные льды и ледники то именно их состояние является наиболее чувствительным к происходящим в настоящее время глобальным и
региональным климатическим колебаниям. По подсчетам Горбунова и Ермолина I"1981"! объем подземных льдов в Тянь-Шане составляет 320 км3. За последние шестьдесят лет объем подземных льдов по отношению к объему ледников существенно уменьшился. Эта тенденция сохраняется во всех горных регионах Центральной Азии (Горбунов, 2018). Такие темпы оттаивания горной мерзлоты в свою очередь, могут спровоцировать развитие опасных мерзлотных геологических процессов, роль которых велика в формировании экологической ситуации в горных районах. Развитию опасных и зачастую катастрофических криогенных геологических процессов способствует повышенная сейсмо-динамическая активность районов развития высокогорной мерзлоты. Эти факторы необходимо учитывать как при составлении проектов хозяйственного освоения этих районов, так и проведении мероприятий по защите уже построенных в горах объектов.
Методы По данным Каталога ледников 1982 г. в бассейне ледника Зеравшан по состоянию оледенения на 1957 г. существовала 72 ледника суммарной площадью 162,02 км2, из которых 12 имеют площадь менее 0,1 км2. По данным Каталога ледников 1980 г. по состоянию оледенения на 1980 г. в бассейне ледника Зеравшан представлено 63 ледника суммарной площадью 141,62 км2. В условиях деградации оледенения в бассейне ледника Зеравшан количество мелких ледников с площадью менее 0,1 км2 составляло 17 в 2021 году. По данным каталогов СССР в 1957 и 1980 году их количество составляло 12 ледников.
Бассейн Площадь ледников, км2 Количество ледников
1957 г 1980 г 2021 г 1957 г 1980 г 2021 г
Бассейн ледника Зеравшан 162,02 141,62 126,06 72 63 57
Также кафедрой Геокриологии МГУ в 2016 году была организована стационарная геокриологическая площадка в районе Гиссарского хребта (перевал Анзоб, Зиддинская долина) [Желтенкова и др., 2020]. На данной территории пробурены 3 геокриологические скважины глубиной от 3 до 5 метров, оснащенные термодатчиками. Первые две скважины находятся на высоте 3372 м н. у. моря, третья скважина пробурена позже в 2019 году в Зиддинской долине (абс. высота 2000 м). С помощью скважин были проведены режимные наблюдения за температурным состоянием грунтов, геофизические и лабораторные работы для определения состава, строения и свойств мёрзлого грунта.
Приводимые в этой статье материалы наблюдений и расчётов глубины промерзания грунта на перевале Анзоб (Таджикистан) взяты частично из работ [Фролов и др., 2021], [Frolov et al, 2022] . Приводимая в этой статье методика расчёта влияния снежного покрова на глубину промерзания грунта взята из работы [Frolov, 2019], [Фролов, 2021], [Фролов Д.М., 2020], [Frolov, 2020] и [Фролов Д.М., 2021] и [Frolov, 2020].
Так по данным этих термометрических наблюдений сезонное промерзание грунтов на этой территории на склонах северной экспозиции наблюдается с середины октября, и продолжаются до конца апреля. На отметке 1,5 м температура пород уже в конце мая меняется с отрицательной на положительную, а к началу июня происходит полное оттаивание пород. Учитывая снежный покров, состав пород и влажность, а также другие факторы, влияющие на глубину промерзания, было произведено моделирование глубины
промерзания по разработанной расчётной схеме.
Расчёты изменения глубины промерзания грунта производились по предложенной расчётной схеме по данным о толщине снежного покрова и температуре воздуха на основании трехслойной модели среды (талый грунт, мерзлый грунт, снег) и при предположении линейного изменения температуры в средах и тепловому потоку согласно закону Фурье.
Расчётная схема строилась на основе задачи теплопроводности трехслойной среды (снег, мерзлый и талый грунт) с фазовым переходом на границе мерзлого и талого грунта. Уравнение теплового баланса включало энергию фазового перехода, приток тепла из талого грунта и отток в мерзлый грунт и при наличии снежного покрова через него в атмосферу. Поток тепла рассчитывался по закону Фурье, как произведение теплопроводности и градиента температуры. Предполагалось, что температура в каждой из сред изменяется линейно (например, [DeGaetano, 2001]). Для снежного покрова и мерзлого грунта использовалась формула теплопроводности двухслойной среды. В работе также привлекались литературные данные [Усупаев Ш.Е. и др., 2019], [Хмелевской В.К. и др., 2010], [Шатравин В.И., 2007], [Юркевич Н.В. и др., 2020], [Brown J., 1994], [Marchenko S., 2001] и [Williams M.W. et al, 2006].
Результаты и выводы
В данной работе на основе разработанной расчётной схемы также производится оценка глубины промерзания грунта для нескольких последних зимних сезонов на основе данных о толщине снежного покрова и температуре воздуха для перевала Анзоб (Таджикистан). Азнобский перевал (Таджикистан) находится на широте 39,07 и долготе 68,88 с высотой 3373 м над уровнем моря. Среднегодовая температура там составляет -2,7°C, но из-за сильного снегонакопления многолетнее промерзание отсутствует и наблюдается лишь сезонное. Расчётное моделирование показало наличие сезонных мерзлых пород на склоне северной экспозиции на глубине до 1,5 м. Так, в зимний период 2018 года на склонах северной экспозиции глубина сезонного промерзания грунта составила 1,5 метра (рис. 1). В зимний период 2020 года на склонах северной экспозиции глубина сезонного промерзания грунта составила 1,2 метра при среднегодовой температуре грунтов 2,42 °C (рис. 2).
Рисунок. 1. Изменения температуры воздуха, толщины снежного покрова и глубины промерзания грунта по данным расчётов и наблюдений для метеостанции Анзобский перевал для зимнего периода 2017/18.
Рисунок. 2. Изменения температуры воздуха, толщины снежного покрова и глубины промерзания грунта по данным расчётов и наблюдений для метеостанции Анзобский перевал для зимнего периода 2019/20.
Проведенные геофизические исследования на перевале Анзоб позволили скорректировать геоэлектрический разрез, на котором по разнице электрического сопротивления, хорошо выделяются суглинки, мощностью до 3 м, зона крупнообломочных пород с песчанистым заполнителем, зона скальных пород и зона разломов. В результате годовых исследований были построены карты-схемы распространения мерзлых пород Гиссарского хребта (рис. 3 и рис. 4). Для составления карт использовался подход, при котором учитываются различия в высотном положении границ распространения ММП для макросклонов, имеющих наиболее выраженные различия геотермического режима. Таковыми являются макросклоны северной и южной экспозиции. Отобранные на перевале Анзоб образцы грунта при искусственном замораживании в лабораторных условиях характеризуются массивной криогенной текстурой. Распределение льда по всему объёму грунта наблюдается в виде цемента. Образования ледяных шлиров наблюдается лишь при увеличении влажности до 30%.
Рисунок 3 Карта криолитозоны в верховье реки Зеравшан (река Матча).
Рисунок 4 Карта криолитозоны в верховье реки Варзоб (река Зидех).
Примененный метод расчёта является хорошо физически обоснованным. Решение по методу хорошо описывает процесс изменения глубины промерзания в течение зимнего сезона. Важным для успешной работы метода является наиболее возможно точное задание начальных данных.
Согласно расчётам, грунт под снежным покровом остается мёрзлым на Анзобском перевале с декабря по апрель. Мощность накапливаемого снежного покрова может достигать при этом полутора метров и более. При этом грунт под покрытой снежным покровом поверхностью промерзает согласно расчётам в среднем на 1,5 м. Таким образом, предложенный метод расчёта динамики глубины промерзания грунта на основе данных о температуре воздуха и толщине снежного покрова позволяет оценить промерзание грунта как фактора устойчивости грунта при строительстве селе- и лавинозащитных сооружений. Таким образом,перевал Анзоб относится к области сезонного промерзания пород, учитывая градиент среднегодовой температуры пород можно заключить, что появление многолетнемерзлых пород на Гиссарском хребте мы можем ожидать на высотах более 4 000 метров.
Библиография
1. Горбунов А.П., Железняк М.Н., Северский Э.В. Оценка объемов подземных льдов в горной системе Тянь-Шаня// Криосфера Земли. 2018. Т 22. № 6. с 35-44.
2. Горбунов А.П., Ермолин Е.Д. Подземные льды гор Средней Азии // Материалы гляциол. исслед. 1981. № 41. с. 59-62.
3. Желтенкова Н.В., Гагарин В.Е., Кошурников А.В., Набиев И.А. — Режимные геокриологические наблюдения на высокогорных перевалах Тянь-Шаня // Арктика и Антарктика. 2020. № 3. С.25-43. DOI: 10.7256/2453-8922.2020.3.33535 URL:
https ://nbpublish.com/library_read_article.php?id = 33535
4. Фролов Д.М., Кошурников А.В., Гагарин В.Е., Додобоев Э.И. Наблюдения и расчёты глубины промерзания грунта на перевале Анзоб (Таджикистан)// Динамика и взаимодействие геосфер Земли. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию подготовки в Томском государственном университете специалистов в области наук о Земле. В 3-х томах. — Т. 2. — Изд-во Томского ЦНТИ Томск, 2021. — С. 81-83
5. Frolov D.M., Koshurnikov A.V., Gagarin V.E. et al. Application of the calculating scheme for rock freezing depth during geotechnical monitoring on the Anzob pass (Tajikistan) // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 1045, no. 1. — P. 012094. DOI: 10.1088/1755-1315/1045/1/012094
6. Frolov D.M. Calculations of ground freezing depth under bare and covered with the snow cover ground surface for the site of the meteorological observatory of Lomonosov Moscow State University for winter periods of 2011/12-2017/18 // Environmental Dynamics and Global Climate Change. - 2019. - Vol. 10. - N. 2. - P. 86-90. doi: 10.17816/edgcc21203
7. Фролов Д.М. Impact of snow cover and air temperature on ground freezing depth and stability in mountain area // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2021. Т. 12. №. 1. с. 43-46. DOI: 10.17816/edgcc21205
8. Фролов Д. М. Роль снежного покрова в изменениях глубины промерзания грунта в московской и калужской области// Четвертые виноградовские чтения. Гидрология от познания к мировоззрению. Сборник докладов международной научной конференции памяти выдающегося русского ученого Юрия Борисовича Виноградова. — Санкт-Петербург: Санкт-Петербург. 2020. С. 827-831.
9. Frolov D. M. Winter regime of temperature and snow accumulation as a factor of ground freezing depth variations // E3S Web of Conferences. — 2020. — Vol. 163, no. 01005. — P. 1-5. D0I:10.1051/e3sconf/202016301005
10. Фролов Д. М. Calculating scheme for ground freezing depth variations and its application in different landscapes // Вестник Карагандинского университета. Серия: Биология. Медицина. География. — 2021. — Vol. 4, no. 104. — P. 166-171.
DOI: 10.31489/2021BMG4/166-171
11. Frolov D.M. Calculation scheme of ground freezing depth in terskol // Вестник Евразийского национального университета им. Л.Н.Гумилева. Серия Математика. Информатика. Механика. — 2021. — Vol. 135, no. 2. — P. 7-13. DOI: 10.32523/26167263-2021-135-2-7-13
12. DeGaetano, A.T., Cameron M.D., Wilks D.S. Physical simulation of maximum seasonal soil freezing depth in the united states using routine weather observation // Journal of Applied Meteorology, 2001, 40(3), pp. 546-555
13. Усупаев Ш.Е., Ерохин С.А., Нарама Чуйико, Дайыров М.А., Усубалиев Р.А. Инженерно-геономическая карта и модель гляцио-мерзлотной типизации
прорывоопасных горных озер // Наука, новые технологии и инновации Кыргызстана. 2019. №4. С. 178-184
14. Хмелевской В.К., Костицын В.И. геофизических методов: учебник для вузов. Пермь: Изд-во Пермского ун-та, 2010. 400 с.
15. Шатравин В.И. Реконструкция плейстоценового и голоценового оледенений Тяшь-Шаня с новых исходных позиций // Климат, ледники и озера Тянь-Шаня: путешествие в прошлое. Бишкек: Илим, 2007. С. 26-46
16. Юркевич Н.В., Юркевич Н.В., Гуреев В.Н., Мазов Н.А. Проблемы контроля фильтрации вод через гидротехнические сооружения в условиях вечной мерзлоты // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георисурсов. 2020. №4. Том 331. С. 126-138
17. Brown J. Permafrost and climate change: The IPA report to the IPCC // Frozen Ground . 1994. №15. P. 16-26
18. Marchenko S. Distribution modeling of alpine permafrost in the arid mountains (a GIS approach) // Extended Abstracts. International Symposium on mountain and Arid land permafrost. Ulaanbaatar: Urlah Erdem Publishing, 2001. P. 43-47
19. Williams M. W., Knauf M., Caine N., Liu F., Verplanck P. L. Geochemistry and Source Waters of Rock Glacier Outflow, Colorado Front Range // Permafrost and periglacial processes, 2006. № 17. P. 13-33
20. Stewart Iris T. Changes in snowpack and snowmelt runoff for key mountain regions // Hydrological processes, 2009. № 23. P. 78-94
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.
При составлении проектов хозяйственного освоения высокогорных районов и проведении мероприятий по защите уже построенных в горах объектов, необходимо учитывать такие факторы, как темпы оттаивания мерзлоты, которые могут спровоцировать развитие опасных мерзлотных геологических процессов, роль которых велика в формировании экологической ситуации в горных районах. Развитию опасных и, зачастую, катастрофических криогенных геологических процессов способствует повышенная сейсмо-динамическая активность районов развития высокогорной мерзлоты. Этим обосновывается авторами статьи актуальность исследований. Предметом исследований являлась криосфера Зеравшанского и Гиссарского хребтов (Тянь-Шань) Центральной Азии. Авторы отмечают, что по данным Каталога ледников 1982 г. в бассейне ледника Зеравшан по состоянию оледенения на 1957 г. существовала 72 ледника суммарной площадью 162,02 км2, из которых 12 имеют площадь менее 0,1 км2. По данным Каталога ледников 1980 г. по состоянию оледенения на 1980 г. в бассейне ледника Зеравшан представлено 63 ледника суммарной площадью 141,62 км2. В условиях деградации оледенения в бассейне ледника Зеравшан количество мелких ледников с площадью менее 0,1 км2 составляло 17 в 2021 году. По данным каталогов СССР в 1957 и 1980 году их количество составляло 12 ледников. Для изучения динамики изменения температурных условий в местах залегания ледников, кафедрой Геокриологии МГУ в 2016 году была организована стационарная геокриологическая площадка в районе Гиссарского хребта (перевал Анзоб, Зиддинская долина). На данной территории пробурены 3 геокриологические скважины глубиной от 3 до 5 метров, оснащенные термодатчиками. Первые две скважины находятся на высоте 3372 м н. у.
моря, третья скважина пробурена позже в 2019 году в Зиддинской долине (абс. высота 2000 м). С помощью скважин были проведены режимные наблюдения за температурным состоянием грунтов, геофизические и лабораторные работы для определения состава, строения и свойств мёрзлого грунта. Наряду с экспериментальными исследования проводились и теоретические, основанные на численном моделировании тепловых процессов. При этом учитывались величина и характер снежного покрова, состав пород и влажность, а также другие факторы, влияющие на глубину промерзания, полученные экспериментальным путем.
Материалы, приведенные в статье свидетельствуют о достаточной для прогноза температурного режима точности полученных теоретических результатов. Основные качественные и количественные результаты исследований, приведенные в статье и имеющие научную новизну и практическую ценность, заключаются в следующем. 1. По данным термометрических наблюдений сезонное промерзание грунтов на склонах северной экспозиции наблюдается с середины октября, и продолжаются до конца апреля. На отметке 1,5 м температура пород уже в конце мая меняется с отрицательной на положительную, а к началу июня происходит полное оттаивание пород. 2. Проведенные геофизические исследования на перевале Анзоб позволили скорректировать геоэлектрический разрез, на котором по разнице электрического сопротивления, хорошо выделяются суглинки, мощностью до 3 м, зона крупнообломочных пород с песчанистым заполнителем, зона скальных пород и зона разломов. В результате годовых исследований были построены карты-схемы распространения мерзлых пород Гиссарского хребта. При этом,для составления карт использовался подход, при котором учитываются различия в высотном положении границ распространения ММП для склонов, имеющих наиболее выраженные геотермические различия.
3.Предложенный теоретический метод расчёта динамики глубины промерзания грунта на основе данных о температуре воздуха и толщине снежного покрова позволяет оценить промерзание грунта как фактора устойчивости грунта при строительстве селе- и лавинно-защитных сооружений.
По статье имеются следующие замечания. Статья плохо структурирована. По мнению рецензента следовало более строго разграничить экспериментальные (натурные и лабораторные исследования) и теоретические (математическое моделирование). И в отдельный раздел выделить их сравнение. В то же время, статья написана научным языком, понятным специалистам и содержит новые сведения, представляющие научный и практический интерес. Список литературы адекватен рассматриваемой проблеме. Статья может быть рекомендована к публикации в авторской редакции.
