КРУПНООБЛОМОЧНЫЕ МЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ ИЛЕ АЛАТАУ Текст научной статьи по специальности «Естественные и точные науки»

Геокриология

УДК 551.340

Т. Г. Токмагамбетов1, Н. В. Желтенкова2, В. Е. Гагарин3, А. В. Кошурников4, И. А. Набиев5

1К.г.н., руководитель лаборатории гляциологии (Институт географии, Алматы, Казахстан) 2Аспирант 2-го года обучения кафедры геокриологии (Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия)

3К.г-м.н., старший научный сотрудник кафедры геокриологии (Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия)

4К.г-м.н., ведущий научный сотрудник кафедры геокриологии (Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия)

5Магистрант 1-го года обучения кафедры геокриологии (Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия)

КРУПНООБЛОМОЧНЫЕ МЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ ИЛЕ АЛАТАУ

Аннотация. С 2015 по 2017 г. были проведены геофизические работы на каменных глетчерах Буркутты и Моренный (Иле Алатау, Северный Тянь-Шань). Представлены результаты полевых исследований, которые позволили оценить мощность мерзлых пород методом электромагнитного зондирования ЗСБ, а именно выделить более льдистую часть разреза. Такая информация особенно актуальна для оценки селевой опасности.

Ключевые слова: крупнообломочные отложения, многолетнемерзлые породы, геофизический профиль, каменный глетчер.

Введение. Одним из результатов криогенеза орогенных областей Средней Азии стало широкое развитие мерзлых пород на Северном Тянь-Шане и, в частности, в районах Иле Алатау.

Крупнообломочными многолетнемерзлыми породами (ММП) сложены в основном морены, каменные глетчеры, склоновые отложения. Они широко распространены в высокогорьях и играют существенную роль в формировании общей геоэкологической ситуации в районе. Для примера: в Иле Алатау выявлено 504 каменных глетчера и абсолютное большинство из них находится в том или ином активном состоянии. Из числа активных каменных глетчеров в этом горном хребте 172 являются приледниковыми и 257 относятся к присклоновому типу [2]. Наблюдения за поведением этих интересных криогенных объектов крайне важны, поскольку они могут рассматриваться как очаги возникновения опасных селевых потоков, и, кроме того, изменение их «поведения» может быть индикатором перемен экологической обстановки в районе, связанных с природными или антропогенными факторами.

Методика исследований. Одними из основных полевых методов исследования строения мерзлых пород в высокогорных регионах являются геофизические. Применение традиционных для равнинных территорий геофизических методов определения удельного электрического сопротивления грунтов с помощью источников постоянного электрического тока имеет в горах значительные ограничения, поскольку при проведении зондирований в большинстве случаев мы получаем сложный для однозначной интерпретации геоэлектрический разрез, включающий в себя чередование «высокоомных» и «низкоомных» слоев. Поэтому для работы в горах нами были использованы методы электромагнитного зондирования на переменном токе, которые в наших условиях имеют гораздо меньшие ограничения и позволяют дать полную картину геологического разреза.

Для изучения строения массивов крупнообломочных мерзлых пород нами был использован метод ЗСБ (зондирование становлением поля в ближней зоне), который относится к группе

индуктивных методов электроразведки. Этот метод является оригинальным для изучения строения мерзлых грунтов в горах. Он выгодно отличается от применявшихся ранее методов электропрофилирования, использующих источники постоянного тока (ВЭЗ, электротомография). Метод ЗСБ позволяет построить более детальный разрез и определить под слоями грунтов, обладающих низкими показателями электропроводности, наличие электропроводящих горизонтов [1]. Это дает возможность определять мощность мерзлых грунтов и отличить их в разрезе от скальных оснований.

Результаты исследований. В 2015-2017 гг. в рамках проекта «Криолитозона Тянь-Шаня и тенденции ее изменения», одобренного грантом РФФИ (проект 16-05-00924А), мы проводили геофизические работы на каменных глетчерах Буркутты и Моренный (Иле Алатау, Северный Тянь-Шань). На каменном глетчере Буркутты был пройден геофизический профиль.

Разрез проходит в нижней широкой части вкрест простирания тела каменного глетчера. По геоэлектрическому разрезу до глубины 250 м можно выделить несколько зон, каждая из которых характеризуется своим удельным сопротивлением пород (рисунки 1, 2).

Рисунок 1 - Линия геофизического профиля и точки ЗСБ (каменный глетчер Буркутты)

Для интерпретации данных была взята модель строения каменных глетчеров А. П. Горбунова [2]. Верхний низкоомный слой (не больше 20 Ом-м) мощностью от 1,5 до 2,3 м представляет собой грубообломочный чехол из глыб и щебня с супесчано-суглинистым заполнителем, имеющим высокую влажность, о чем свидетельствует низкое сопротивление пород. Этот горизонт представляет собой сезонноталый слой, подстилаемый высокоомным слоем (9000 Ом-м), мощность которого от 12 до 27 м. В этом слое отмечена высокая поляризуемость (15 %), что по нашим лабораторным исследованиям свидетельствует о большом количестве линз и включений льда. Слой состоит из мерзлого песчано-щебнистого материала, включающего линзы суглинка и гранитные глыбы. Можно предположить, что в этом горизонте находится погребенный ледниковый лед, каменистая верхняя толща бронирует и замедляет его таяние. Следующий слой также характеризуется высоким сопротивлением (7000 Ом-м), но поляризуемость пород значительно меньше, то есть отложения менее льдистые. Предположительно эта толща мощностью в 70-90 м представляет собой вечномерзлое неоднородное основание каменного глетчера, под которым более низким сопротивлением на разрезе отмечаются коренные кристаллические породы (трещиноватые граниты).

Также были проведены геофизические работы на каменном глетчере Моренный. Были выполнены два геофизических профиля (в крест и по простиранию тела каменного глетчера). По полученным полевым данным построен разрез, на котором выделяются зоны высоких и низких сопротивлений (рисунок 3). Каменный глетчер Моренный имеет схожее строение в разрезе с каменным глетчером Буркутты. Верхний низкоомный слой (не больше 24 Ом-м) мощностью от 1,7

0—I

¡504

А г г s I 4 I

4=15

| п=о

100 0 100 III ^_200

П=2

Условные обозначения

коренные кристаллические породы (граниты)

+ + + 4- -Ь

CjoT}

удельное электрическое солротивление пород (Ом*

каменистый (глыбовый) грунте суглинистым заполнителем --,--, фаница многапетнемерзлыя пород

■<| а /

_L_

щебнистый грунт с супесчаным заполнителем, включающий линзы суглинка и гранитные глыбы

породы в мерзлом состоянии

точки электромагнитного зондирования (ЗСБ)

Рисунок 2 - Геоэлектрический разрез по линии А-Б (каменный глетчер Буркутты)

до 2,6 м представлен глыбовым грунтом с суглинистым заполнителем высокой естественной влажности, о чем, как и в случае с каменным глетчером Буркутты, свидетельствует низкое сопротивление пород. Этот сезонноталый слой подстилается высокоомником (7500 Ом-м), мощность которого от 7 до 18 м. В таком слое также отмечена высокая поляризуемость пород (25 %), что может свидетельствовать о высокой льдистости горизонта. Слой состоит из мерзлого песчано-щебнистого материала, включающего линзы суглинка и гранитные глыбы. Следующий слой также характеризуется высоким сопротивлением (5000 Ом-м), но поляризуемость пород значительно меньше (4 %) или вовсе отсутствует. Эта толща мощностью 70-100 м представляет собой основание каменного глетчера - коренные кристаллические породы. На глубинах 260-300 м в центральной части каменного глетчера выделяется низкоомная зона (100 Ом-м). Эта часть разреза требует более детального изучения, поскольку природа этой зоны не ясна. Предположительно эта неоднородность отражает глубинный тектонический разлом.

Условные обозначения

глыбовый фунт с суглинистым заполнителем

щебнистый минерально -ледяной грунт с супесчаным заполнителем,включающий линзы суглинка и гранитные глыбы

граница многолетнемерзлых пород

точка электромагнитного зондирования (ЗСБ)

линзы льда

СахкГ) удельное электрическое сопротивление пород (Омхм>

Рисунок 3 - Геоэлекрический разрез фронтальной части каменного глетчера Моренный

Помимо изучения строения каменных глетчеров, были пройдены геоэлектрические профили на перевалах Жосалы-Кезень (рисунки 4, 5) и Озерный (рисунки 6, 7) в 2016 году и повторные геофизические работы в 2017 году, что позволило сделать некоторые уточнения, дополнить разрез и проследить динамику состояния мерзлых пород.

Рисунок 4 - Линия геофизического профиля и точки ЗСБ (перевал Жосалы-Кезень)

Рисунок 5 - Геоэлектрические разрезы по линии А-Б за 2017 (а) и 2016 (б) годы (каменный глетчер Буркутты);

П = 10 - поляризуемость, % -107-

а

б

Рисунок 6 - Линия геофизического профиля и точки ЗСБ (перевал Жосалы-Кезень)

- Ш1К

100

Условные обозначения

коренные кристаллические породы (граниты)

удельное электрическое сопротивление пород (Ом'м)

"К

дресвяный грунт с суглинистым заполнителем -т— кровля многолетнемерзлых пород оторфованный суглинок

полигоны с грунтовыми жилами

породы в мерзлом состоянии

.................. ¡ б

Рисунок 7 - Геоэлектрические разрезы по линии А-Б за 2017 (а) и 2016 (б) годы (перевал Озерный);

П=15 - поляризуемость, %

а

а

б

На перевале Жосалы-Кезень геофизический профиль проходил от скважины на склоне северной экспозиции через тальвег до скважины на склоне южной экспозиции в стороне от станции ФИАН. Профилирование осуществлялось петлями 100x100 м. На этой основе наши геокриологические исследования позволили выявить общие закономерности в распространении и изменении мощности мерзлых пород на глубине около 250 м.

Верхний слой разреза характеризуется низким удельным сопротивлением 500-850 Ом-м и имеет мощность 5-10 м. Он представлен талыми крупнообломочными склоновыми отложениями с супесчаным заполнителем. В 2017 году граница мерзлоты в районе тальвега сместилась вниз. Второй слой с довольно низким сопротивлением 200-510 Ом-м мощностью 15-40 м, представленный крупнообломочными породами с супесчано-суглинистым заполнителем, находится в мерзлом состоянии. Он был интерпретирован как мерзлый, что подтвердилось данными термометрии и довольно высокой поляризуемостью пород (п = 10 %), что указывает на наличие льда в этой части разреза. В данном случае речь идет о высокотемпературной мерзлоте. Удельное сопротивление довольно низкое, так как в породе содержится много свободной воды. Ниже по разрезу прослеживается высокоомная зона скальных пород. На склоне южной экспозиции мерзлые породы отсутствуют, что также подтверждается данными термометрии.

Рисунок 8 - Годовые колебания температуры пород на перевале Жосалы-Кезень в скважине на склоне северной экспозиции по данным 2017 (а) и 2016 (б) годов

а

б

На перевале Озерный (3507 м) геофизический профиль проходил по водоразделу через участок со структурными грунтами и грунтовыми жилами (см. рисунок 7). На разрезе выделяется сезонноталый слой с удельным сопротивлением 90-210 Ом-м, мощностью 3-18 м. Он представлен дресвой с суглинистым заполнителем (по данным шурфовочных работ). На участке с грунтовыми жилами отмечается слой с сопротивлением пород 520 Ом-м. С учетом поляризуемости (п = 10%) можно предположить, что здесь находится высокотемпературная мерзлота, как и на перевале Жосалы-Кезень. Ниже залегает высокоомный слой скальных пород с сопротивлением 1800 Ом-м.

Как уже отмечалось, на перевале Жосалы-Кезень с 2015 года на склоне северной и южной экспозиции нами ведутся режимные наблюдения за температурой пород (рисунки 8, 9).

Установлено, что за 2017 год глубина сезонного промерзания на склоне южной экспозиции составила 1,2 м, а среднегодовая температура пород была +2,5°С. Глубина сезонного слоя сильно уменьшилась по сравнению с 2016 годом, когда она составляла 4,3 м. Анализ хода температур воздуха и количества осадков показал сходимость данных текущего и предыдущего годов, климатических воздействий не было. Поэтому возможной причиной сильного изменения может служить техногенный фактор (отепляющий фактор снега и др.).

Рисунок 9 - Годовые колебания температуры пород на перевале Жосалы-Кезень в скважине на склоне южной экспозиции по данным 2017 (а) и 2016 (б) годов

а

б

Режимные температурные наблюдения в скважине на склоне северной экспозиции показали, что мощность сезонноталого слоя составляет 3,7 м, что соответствует значениям 2016 года. Это говорит о достаточно большой величине сезонноталого слоя и при неполном его промерзании о возможном появлении несливающейся мерзлоты. Среднегодовая температура пород составила -0,7 °С.

Максимум температуры поверхности почвы за 2017 год зарегистрирован в июле - 50,1°С, а минимум - в январе и составляет -30,6 °С.

Заключение. Таким образом, комплексные режимные наблюдения позволят решить ряд актуальных проблем высокогорных регионов и предотвратить такие опасные природные явления, как гляциальные сели, на которые неоднозначно влияют мерзлые породы. С одной стороны, в результате сложного взаимодействия мерзлых пород с потоками талых ледниковых вод и с моренными озерами в мерзлых моренах и каменных глетчерах возникают внутригрунтовые талики, являющиеся потенциальными очагами зарождения селей. С другой - мерзлые породы удерживают значительные грунтовые массы от вовлечения их в грязекаменный поток, так как криогенный фактор способствует уменьшению поступления обломочного материала в проходящий селевой поток, уменьшая его расход. Очаг гляциального селеобразования обычно формируется за счет сползания и обрушения поверхностных сезонноталых пород по переувлажненной кровле многолетней мерзлоты.

В свою очередь, метод электромагнитного зондирования ЗСБ позволяет оценить мощность мёрзлых пород, строение, выделить более льдистую часть разреза. Такая информация особенно актуальна для оценки селевой опасности нивально-гляциальной зоны северного склона Иле Алатау, в предгорье которого расположены десятки населенных пунктов и крупнейший город Казахстана - Алматы [3]. Помимо прямых метеонаблюдений, режимных наблюдений за температурой пород, данные, полученные в результате геофизического мониторинга, могут показать, как меняются мощности СТС и подозёрных таликов. Такие работы могут помочь в принятии решений по укреплению плотин, предупредить селеобразование. Необходим постоянный мониторинг гляциальной зоны Иле Алатау для выявления новых и оценки состояния старых очагов селе-образования.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Зыков Ю.Д. Геофизические методы исследования криолитозоны. - М.: Изд-во МГУ, 2007. - 272 с.

[2] Горбунов А.П., Горбунова И.А. География каменных глетчеров и их аналогов в Евразии. - Алматы, 2013. - 184 с.

[3] Медеу А.Р., Токмагамбетов Т.Г., Кокарев А.Л. и др. О влиянии гляциологических и гидрометеорологических условий на гляциальную опасность Заилийского Алатау // Лёд и снег. - 2017. - № 57(2). - С. 261-268.

REFERENCES

[1] Zykov Yu.D. Geophysical methods of research of cryolithozone. M.: Publishin house MGU, 2007. 272 p. (in Rus.).

[2] Gorbunov A.P., Gorbunova I.A. Geography of block glaciers and their analogues in Eurasia. Almaty, 2013. 184 p. (in Rus.).

[3] Medeu A.R., Tokmagambetov T.G., Kokarev A.L., e.a. Effects of glaciological and hydro-meteorological conditions on the glacial danger in Zailiyskiy Alatau // Ice and snow. 2017. Vol. 57(2). P. 261-268 (in Rus.).

Т. Г. Токмагамбетов1, Н. В. Желтенкова2, В. Е. Гагарин3, А. В. Кошурников4, И. А. Набиев5

1 Гляциология зертханасыньщ жетекша, география гылымдарыныц кандидаты (География институты, Алматы, Казакстан) 2 Геокриология кафедрасыныц 2-i оку жылыныц аспиранты (М. В. Ломоносов атындагы Мэскеу мемлекеттiк университетi, Мэскеу, Ресей)

3Геокриология кафедрасыныц ага гылыми кызметкер^ г-м.г.к. (М. В. Ломоносов атындагы Мэскеу мемлекетпк университетi, Мэскеу, Ресей)

4 Геокриология кафедрасыныц жетекш гылыми кызметкер^ г-м.г.к. (М. В. Ломоносов атындагы Мэскеу мемлекетпк университету Мэскеу, Ресей)

5 Геокриология кафедрасыныц 1-i оку жылыныц магистранты (М. В. Ломоносов атындагы Мэскеу мемлекетпк университету Мэскеу, Ресей)

1ЛЕ АЛАТАУЫНДАГЫ 1Р1 СЫНЬЩТЫ ТОЦ ЖЫНЫСТАРЫ

Аннотация. 2015 жылдан 2017 жыл аралыгы кезецiнде БYркiттi жэне Моренналы (1ле Алатауы, Сол-тYCтiк Тянь-Шань) тас м:рдыктарында геофизикалык ж^мыстар жYргiзiлдi. Макалада ЖТЗ электромагниттiк зондылау эдiсiмен тоцданган жыныстардыц калындыгын багалауга мYмкiндiк беретш далалык зерттеулердiц нэтижелерi келтiрiлген, атап айтканда, м:р кимасыныц квбiрек бвлтн белу. Б^л акпарат сел каутн багалау Yшiн вте мацызды.

Тушн свздер: iрi сыныкты швгiндi, квп жылдык тоц жыныстары, геофизикалык кескш, тас м^здыгы.

T. G. Tokmahambetov1, N. V. Zheltenkova2, V. Y. Gagarin3, A. V. Koshurnikov4, I. A. Nabiyev5

1 Candidate of geographical sciences, head of department of glaciology (Institute of geography, Almaty, Kazakhstan) 2PhD student of 2-nd year study, chair of geocryology (Lomonosov Moscow state university, Moscow, Russia)

3 Candidate of geological-mineralogical sciences, senior researcher, chair of geocryology

(Lomonosov Moscow state university, Moscow, Russia)

4 Candidate of geological-mineralogical sciences, leading researcher, chair of geocryology

(Lomonosov Moscow state university, Moscow, Russia) 5 Master's program student of 1-st year study, chair of geocryology (Lomonosov Moscow state university, Moscow, Russia)

LARGE-SCALE DETRITAL FROZEN ROCKS OF ILE ALATAU

Abstract. In the period from 2015 to 2017 were conducted geophysical works on block glaciers Burkutty and Morennyi (Ile Alatau, Northern Tien-Shan). Article consist of results of field researches which allowed to assess thickness of frozen rocks by method of electromagnetic sounding ЗСБ and namely to determine most icy part of section. Such information is most actual for assessment of mudflow danger.

Keywords: large-scale deposits, multi-year frozen rocks, geophysical profile, rock glacier.