32Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 2 (46) 2012
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.324
МЕТОДИКА МАСС-БАЛАНСОВЫХ И ГЕОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ГОРНЫХ ЛЕДНИКАХ.
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МАСС-БАЛАНСОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЛЕДНИКЕ ЭЛЬБРУСА - ГАРАБАШИ
А.М. КЕРИМОВ
ФГБУН «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук» Центр географических исследований 360010, КБР, г. Нальчик, ул. Балкарова, 2 E-mail: kerimov. a. m@mail.ru
Работа посвящена организации масс-балансовых и геохимических исследований на горных ледниках на примере эталонного ледника Эльбруса - Гарабаши. Приводится морфологическая классификация ледников КБР. Показана репрезентативность выбора данного ледника для проведения масс-балансовых и геохимических исследований. Представлен характер снегонакопления за 2010-2011 балансовый год по высотным зонам ледника.
Ключевые слова: баланс массы, геохимия, аккумуляция, абляция, шурф, типы ледников, керн, скважина, снегонакопление.
Баланс массы ледника является важнейшей его характеристикой. Балансом массы ледника называется соотношение прихода и расхода массы снега, фирна и льда на леднике за определенное время, т.е. разница между величинами аккумуляции и абляции. Он измеряется в граммах на квадратный сантиметр или в миллилитрах водного эквивалента для любой точки поверхности ледника [1, 2].
Значением баланса массы определяются условия существования оледенения. При длительном периоде времени с положительным балансом ледников создаются благоприятные условия для существования оледенения. И наоборот, при отрицательном балансе наступает деградация оледенения, процесс общего убывания и отмирания оледенения.
Выделяют зимний и летний баланс массы ледника. Нарастание массы от летней поверхности до наступающего в конце зимы максимума снегонакопления называется зимним балансом массы, а уменьшение массы от максимума снегонакопления до конца таяния, когда формируется новая летняя поверхность, называется летним балансом массы. Алгебраическая сумма аккумуляции и абляции дает годовой баланс массы. Изменение годового баланса ледника тесно связано с климатом и прежде всего с изменениями атмосферной циркуляции, аномалиями осадков и температуры воздуха [1].
Для организации масс-балансовых и геохимических исследований необходимо выбрать ледник, наиболее характерный для данного региона. В горах встречается достаточно большое разнообразие типов ледников, форма которых зависит от вмещающего их рельефа. Самыми распространенными являются склоновые, присклоновые, каровые, висячие ледники. Менее распространенные - карово-долинные, долинные, котловинные, переметные, возрожденные и конических вершин.
В табл. 1 приведены морфологические типы ледников Кабардино-Балкарии.
Таблица 1.
Морфологические типы ледников КБР
Тип ледника Число ледников Площадь ледников
Всего % от общ. числа 2 км % от общ. числа
Конических вершин 8 1,9 75,9 17,0
Присклоновые 2 0,5 0,4 0,08
Сложно -долинные 7 1,7 119,6 26,3
Долинные 24 5,8 103,9 22,3
Каровые 119 28,8 22,8 5,0
Карово-долинные 35 8,5 54,2 12,1
Висячие 136 32,9 17,2 3,8
Висячие каровые 71 17,3 59,9 13,2
Карово-висячие 11 2,6 1,1 0,2
В данном случае нас интересуют ледники конических вершин, представленные ледниками Эльбрусского вулканического центра (ЭВЦ). При проведении гляциологических исследований при выборе ледника необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:
а) его склоны были относительно пологими и доступными в области аккумуляции, не подверженными сходу лавин, с минимальной изрезанностью трещинами, четко очерченными языками, менее всего загрязненными моренным материалом. Для гляциолога это идеальный ледник, на котором можно с максимальной доступностью и безопасностью провести целый комплекс исследований;
б) существование подходов и подъездов, незначительная удаленность от населенных пунктов и конечных точек транспортной инфраструктуры;
в) при выборе объекта наблюдений их организатору и исполнителю приходится задуматься и над вопросом, как быстро может быть оказана профессиональная медицинская помощь участникам экспедиции, пострадавшим в экстремальных ситуациях;
г) следует оценить, насколько типичен ледник для данного горного региона и может ли он быть для него представительным, репрезентативным. Оптимальные для исследований ледники должны иметь площадь не менее 2 квадратных километров и не более 10 кв. км [3].
Для определения баланса массы горного ледника необходимо организовать наблюдения над аккумуляцией и абляцией снега и льда.
1. Основной задачей наблюдения над аккумуляцией и абляцией снега и льда на ледниках является получение количественной характеристики динамики этих процессов на ледниках, выявление особенностей и степени интенсивности их проявления на разных ледниках, получение данных о связи этих процессов с другими природными явлениями (радиацией, температурой воздуха, режимом осадков, режимом ветров и т. п.), с уклоном и рельефом ледниковой поверхности, ее экспозицией, абсолютными высотами, степенью и характером засоренности и пр.
2. Для наблюдений над аккумуляцией и абляцией снега и льда на ледниках следует рекомендовать наиболее простой и в то же время наиболее универсальный, надежный и проверенный широкой практикой способ, а именно - реечный способ. Он одинаково пригоден как для наблюдений над аккумуляцией, так и для наблюдений за абляцией снега и льда на ледниковой поверхности.
3. Принцип реечного способа наблюдений над аккумуляцией и абляцией снега и льда на ледниках следующий: на поверхности изучаемого ледника устанавливаются рейки, по
которым регистрируется изменение уровня ледниковой поверхности. Рейки устанавливаются в отверстия буровых скважин, пройденных ручным буром в толще ледниковой поверхности на глубину 1-2 м. По каждой устанавливаемой таким образом рейке делается отсчет уровня поверхности ледника (этот отсчет записывается), затем в установленные сроки делаются (и записываются) последовательные отсчеты уровня поверхности ледника (этот уровень меняется - повышается при накапливании снега или понижается при таянии снега или льда). По разностям последовательных отсчетов по рейке получают изменения уровня поверхности ледника. К моменту максимального снегонакопления (аккумуляции) и окончанию таяния (абляции) на границе питания ледника определяется снегозапас снежно-фирновой толщи. Определение плотности снега и фирна производится весовым плотномером в шурфе или механическим буром.
В зимний период измерения снегонакопления производятся по рейкам 1 раз в декаду, во время таяния - 1 раз в пятидневку. На выбранном леднике наблюдения ведутся круглогодично [4].
Выбор района для геохимических исследований на леднике должен быть еще более строгим, чем для масс-балансовых работ. Район взятия образцов имеет важное значение, так как некоторые высокогорные ледники сильно загрязнены из-за наличия локальных источников загрязнения (камнепадов, ледопадов, лавин, пыльных бурь), что затрудняет дифференцирование и интерпретацию примесей в годовых слоях льда как индикатора изменения загрязнения атмосферы. Кроме того, необходимо учитывать географическое положение региона, так как этот фактор накладывает отпечаток на механизм формирования и природу примесей в исследуемом регионе. Но содержание примесей и их изменение зависят также от абсолютной высоты района исследований.
Для Центрального Кавказа забор проб льда с сезонных слоев фирново-ледяной толщи необходимо проводить на высоте около 4000 м над уровнем моря и выше. Это условие диктуется тем, что исследования спектра и концентрации естественных аэрозолей над различными районами свидетельствуют о том, что подстилающая поверхность оказывает влияние до высот приблизительно 3500-4000 м над уровнем моря. Выше концентрация и спектральное распределение приближаются к фоновым величинам, мало изменяющимся над различными физико-географическими районами [5].
Исследования надо проводить в верхней части ледников, расположенной выше ледопадов, где отсутствует влияние камнепадов и лавин. Этим требованиям отвечают некоторые ледники Эльбруса на его северном склоне, ледник Кюкюртлю, Ушбинское плато, ледник Адырсу и др. В районе отбора проб крутизна ледника должна быть малой (5-7°), так как при большой крутизне скорость течения ледника велика и возможно перемешивание ледниковых слоев.
Отбор проб необходимо производить на выровненных зонах (с ледниковым плато) еще и потому, что на плато выпадающие осадки распределяются более равномерно, и роль ме-телевого переноса сравнительно невелика. Выполнение этого условия существенно, так как при взятии проб определялась мощность годового слоя для вычисления запасов воды в нем с целью оценки годовой аккумуляции [6].
Район оледенения Эльбруса, находясь в средней тропосфере, обладает многими преимуществами для исследования процессов осадкообразования, самоочищения атмосферы, распределения примесей с абсолютной высотой, льдообразования и динамики оледенения региона. Наличие канатных дорог и близость транспортных коммуникаций позволяют доставить образцы снега и льда в лабораторию для обработки до их таяния. В связи с этим более подробно остановимся на этом районе.
Вулканический массив Эльбруса является обособленным центром оледенения и существенно отличается от окружающих его хребтов. Над окружающими его хребтами Эль-
брус возвышается на 1500-2000 м. Склоны массива, более пологие вверху, книзу становятся круче, обрываясь в отдельных местах крутыми уступами. Особое место в оледенении Центрального Кавказа занимают ледники Эльбруса, составляющие 57% общей площади оледенения бассейнов рек Баксан и Малка.
Эльбрус - крупнейший вулкан Евразии - расположен в центре Кавказа и является самым крупным горно-ледниковым массивом России (общая площадь ледников 125 км ). На Кавказе в настоящее время осталось лишь два ледника - Джанкуат и Гарабаши, где продолжается многолетний ряд ежегодных наблюдений за режимом и процессами формирования баланса массы ледника по программе Международной службы мониторинга ледников.
Ледник Джанкуат - долинный; общая экспозиция - СЗ; длина всего ледника - 3,1 км;
22 открытой части - 2,9 км; площадь - 1,9 км ; открытой части - 1,8 км ; высота низшей точки
- 2820 м.; высота низшей точки открытой части - 2840 м; высота высшей точки - 3680 м;
высота фирновой линии - 3100 м.
Ледник Гарабаши - конических вершин, общая экспозиция - ЮВ; длина - 3,9 км; открытая часть - 3,9 км; площадь - 4,5 км2; высота низшей точки - 3300 м; высота высшей точки - 5000 м; высота фирновой линии - 3830 м. На Гарабаши уже 30 лет ведутся непрерывные ежегодные масс-балансовые наблюдения, отчеты публикуются в бюллетенях Международной службы мониторинга ледников.
Гарабаши является частью ледникового массива Эльбруса, расположен на обширном открытом склоне южной экспозиции. Ледник начинается с высоты около 5000 м в виде узкого «клина» на крутом склоне «купола» Эльбруса; ниже он постепенно расширяется и достигает наибольшей ширины - до 1,5 км на более пологой части склона на высотах 3700-3900 м.
На высотах 3800-4000 м располагается основная часть области аккумуляции, питающая ледник. Язык ледника шириной 750 м оканчивается на высоте 3300 м. Выбран Гарабаши также и потому, что характеризует условия верхней зоны оледенения Кавказа. Его конец -3300 м, это примерно для ледников Центрального Кавказа уже уровень, близкий к верхним их отметкам, во всяком случае - к верхним частям областей питания, где наблюдения практически никто не ведет. Условия в областях питания верхней зоны ледников Кавказа (например, условия холодной фирновой зоны льдообразования) может показать именно Эльбрус. Причем наблюдения здесь можно вести в «удобных» условиях, не на каких-то крутых склонах какой-то вершины на 4000 м, а на открытом широком склоне, где можно поставить измерения на многих точках, на профилях вдоль и поперек склона. Баланс массы его «замыкается» полностью, т.е. от верха до конца ледника можно все измерять без таких помех, как, например, язык в глубоком ущелье, заваленный мореной (Большой Азау), где условия расхода льда не согласуются с условиями его питания. У нас ледник устроен просто, и именно поэтому колебания его баланса массы хорошо согласуются и с колебаниями метеоусловий, и с ходом колебаний других ледников в регионе Центрального Кавказа. Это показал анализ многолетних наблюдений [7, 8].
У подножья склона в долине р. Азау работает с 1951 г. единственная в настоящее время на Центральном Кавказе высокогорная метеостанция Терскол (2140 м). Это позволяет устанавливать корреляции с наблюдениями на леднике и анализировать колебания баланса массы в связи с климатическими изменениями. Все составляющие баланса массы определяются ежегодно прямыми измерениями на поверхности и в толще ледника (шурфы и скважины). С первого года работ на леднике был размечен основной - правый продольный профиль измерений - забуренными в лед десятью дюралевыми вехами на высотах от
3700 до 4600 м, местоположение которых неизменно до настоящего времени (регулярно перебуриваются по мере вытаивания).
Таблица 2.
Основной профиль Гарабаши
№ вехи Е N Набс, м
10 42°27,915 43°18,000 3731
9 42°27,850 43°18,138 3791
8 42°27,803 43°18,280 3873
8-к 42°27,697 43°18,255 3869
7 42°27,692 43°18,475 3948
6 42°27,672 43°18,617 3986
5 42°27,705 43°18,745 4008
3 42°27,640 43°19,120 4190
2 42°27,533 43°19,427 4383
1 42°27,540 43°19,675 4538
12 42°28,125 43°19,000 4003
Рис. 1. Схема работ на леднике Гарабаши: 1 - граница ледника; 2 - стационарные пункты; 3 - линии опорных профилей;
4 - шурфы и скважины; 5 - метеоплощадка; 6 - скважина до ложа;
7 - скалы и нунатаки
С 1987 г. к ним прибавилось еще 5 опорных вех левого профиля. Все вехи расставлены на леднике с учетом прежде всего высотных различий, а также изменений морфологии склона. Профили охватывают главным образом область питания ледника. Ниже 3700 м на языке положение вех менялось; низшая точка наблюдений в области абляции - 3300 м. Кроме того, ежегодно в сеть измерений входят дополнительные скважины и шурфы, часть которых также отмечена постоянными вехами. К постоянным профилям привязана основная часть регулярных гляциологических и геохимических наблюдений. С 1987 по 1991 гг.
проводились наиболее подробные измерения на всей площади ледника и ежегодно строились карты всех составляющих водно-ледового баланса - аккумуляции, таяния, снежного остатка, внутреннего питания, абляции (стока) и баланса массы ледника [7, 8].
Весной поверхность ледника покрывалась маршрутами снегосъемки, проводимой по стандартной методике, с измерениями плотности и температуры снежной толщи в шурфах и скважинах. Эти работы проводились в июне, а на верхних уровнях - в первой декаде июля. В течение лета измерялось таяние снега и льда, изучалась трансформация снежной толщи; в конце периода абляции проводились повторные снегосъемки, определялись внутреннее питание и годовой приход; рассчитывался баланс массы на всей площади ледника.
С 1987 г. в течение 8 летних сезонов на специально оборудованной метеоплощадке в районе фирновой линии на высоте 3830 м велись стандартные метеонаблюдения - измерялись таяние поверхности и выпадающие летние осадки. Пять лет построения подробных карт и 10 лет наблюдений за изменением с высотой составляющих баланса массы ледника на профилях (1982-1991 гг.) позволили установить подобие из года в год полей балансовых характеристик. Несмотря на относительно небольшое число лет, эти годы оказались достаточно репрезентативными, т.к. отличались большой изменчивостью условий аккумуляции и таяния и включали два аномальных года - 1985/1886 и 1986/1987 гг. соответственно с большим таянием и высокой снежностью. Изменчивость температур лета и годовых осадков за указанный интервал времени, по данным ближайшей метеостанции Тер-скол, была такой же, как за 30-летний период. Устойчивость полей на леднике, очевидно, определяется стабильностью двух главных факторов распределения аккумуляции и таяния на Эльбрусе - рельефа и постоянства направления ветров. Типовое распределение составляющих баланса массы ледника по высоте и по площади позволило рассчитать для этого ледника целый ряд эмпирических уравнений и коэффициентов для перехода от величин аккумуляции и абляции на профилях к величинам, средним в стометровых высотных зонах на леднике [7, 8].
Хотя со временем, по мере увеличения числа лет наблюдений, некоторые из значений переходных коэффициентов корректировались, этот способ оставался основой для расчета баланса в 100-метровых зонах. При этом необходимы тщательные наблюдения два раза в год - весной для измерения максимума аккумуляции и осенью в конце периода абляции у постоянных опорных вех на профилях и на дополнительных скважинах и шурфах. Количество снега, растаявшего до начала наблюдений, досчитывается (в основном для нижних зон ледника) по эмпирическим формулам связи таяния, температуры воздуха на леднике и на метеостанции Терскол. Период до 1997 г. был достаточно благоприятным для балансового состояния ледника, в отличие от четырех лет на границе двух тысячелетий - 19982001 гг., с пониженным снегонакоплением и катастрофическим таянием.
Измерения на леднике Гарабаши показали, что главная роль в межгодовых колебаниях баланса массы ледника принадлежит условиям летнего таяния (корреляция баланса массы с абляцией - 0,95, тогда как с аккумуляцией - 0,6) [9].
Средняя величина баланса массы ледника за 17 лет (1981-1997 гг.) была положительной (+8,6 г/см2 в год), Но в последние годы ХХ в. условия вновь резко изменились [9]. Обширные устойчивые антициклоны, охватившие всю европейскую часть России, вызывали особенно высокие летние температуры воздуха в горах Кавказа четыре года подряд -1998-2001 гг. Средняя температура лета в Терсколе достигла 12,5о, что было сравнимо лишь с 1950-ми годами. Таяние на протяжении этих летних сезонов было катастрофическим. Если баланс массы ледника Гарабаши начиная с 60-х годов был в среднем положительным и в последние 10 лет (1987-1997 гг.) равен +11 см в.э., то за 21 год (1981-2001 гг.), включая последние 4 года, сменился на отрицательный - 12 см в.э. За 4 аномальных
года он составил в среднем 104 см в.э. В целом ледник потерял слой в 3,5 м в.э., причем на языке больше 8 м. В области питания сместились границы зон льдообразования, вытаяли новые участки лавовых гряд [9]. Период катастрофического таяния 1998-2001 гг. сменился более снежными годами с холодным летом 2002-2005 гг., обеспечившими положительный баланс массы эталонного ледника. Начало восстановления потерянного объема ледника снова прекратилось в условиях резко отрицательного баланса в следующие годы (20102011 гг.). Если в 1998-2001 гг. средняя температура лета на метеостанции «Терскол» достигала 12,5°С, то в 2010-2011 гг. температура лета превышала 13°С. Таким образом, последние два года оказались неблагоприятными для ледника. По наблюдениям автора, баланс ледника даже на уровне 4000 м н.у.м. был отрицательным - меньше 100 г/см2. Но среднемесячные температуры лета 2002 г., наиболее благоприятного для ледника на метеостанции «Терскол», составляли 11°С, следовательно, и на границе питания сохранялся градиент температуры 2°С. Разница в градиенте температуры в 2°С в 2002 году способствовала максимальному балансу за указанный год. Сравнение суммы осадков за период аккумуляции на метеостанции «Терскол» в 2009/2010 и 2001/2002 гг. балансовых годах показывает незначительное их отличие - 764 мм и 799 мм соответственно. Однако 2001/2002 балансовый год оказался с наибольшим положительным балансом, а 2009/2010 балансовый год - с наименьшим отрицательным балансом. Такое сильное таяние вызвано непрерывными высокими температурами во время абляции с малым количеством осадков в летний период. Следует отметить, что в июле 2010 года среднемесячная температура составила 14,3°С. Колебания баланса определяются большей изменчивостью абляции, чем аккумуляции.
Таким образом, продолжается сильная деградация ледника Гарабаши. К примеру, по нашим измерениям снегозапаса в 2010/2011 гг. балансовом году на стационарном пункте № 10 (Н=3731 м н.у.м.) баланс составил 191,5 г\см , это около 2 м водного эквивалента.
В табл. 3 даны составляющие баланса массы ледника Гарабаши на стационарных пунктах за 2010/ 2011 балансовый год.
Как видно из табл. 3, только на четырех пунктах из десяти баланс положительный. Причем на двух пунктах баланс близок к нулю. В таблице не учтено внутреннее питание ледника.
Таблица 3.
Аккумуляция, абляция и баланс на стационарных пунктах ледника Гарабаши
в 2010/2011 балансовом году
№ Н абс, Аккумуляция, Абляция, Баланс,
вехи м г/см2 г/см2 г/см2
1 4538 17 0 17
2 4383 17 12,0 5
3 4190 37,4 34,2 3,2
5 4008 46,1 160,5 -114,4
6 3986 44,05 116,05 -72,0
7 3948 107,4 69,0 38,4
8 3873 76,15 173,35 -97,2
8к 3869 65,9 22,45 -161,55
9 3791 151 276,1 -125,1
10 3731 65,5 257,0 -191,5
Таким образом, в работе даны рекомендации по выбору репрезентативного горного ледника для рассматриваемого региона.
Подробно изложено обоснование выбора ледника южного склона Эльбруса Гарабаши как репрезентативного (эталонного) ледника для территории оледенения Приэльбрусья.
Приведенные результаты о балансе массы ледника показывают, как чутко реагирует ледник на изменения метеорологических условий в районе оледенения.
Автор приносит свою благодарность начальнику СКВС Росгидромета Х.Х. Чочаеву за предоставленную метеорологическую информацию по метеостанции «Терскол».
ЛИТЕРАТУРА
1. Войтковский К.Ф. Основы гляциологии. М.: Наука, 1999. 256 с.
2. Гляциологический словарь / Под ред. В.М. Котлякова. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 528 с.
3. Макаревич К.Г. Методические аспекты исследований баланса массы и колебаний горных ледников. Алматы, 2007. С. 104.
4. Основные методические указания по гляциологическим исследованиям. М., 1957. 32 с.
5. Исследование естественных аэрозолей в свободной атмосфере. В.И. Кампановский, С.Л. Саркисов, Г.В. Степанов, В.Г. Харгуани. В кн. Пыль в атмосфере и околоземном космическом пространстве. М.: Наука, 1973. С. 179-181.
6. Залиханов М.Ч., Керимов А.М., Степанов Г.В., Черняк М.М., Урумбаев Н.А. Методика и некоторые результаты исследований загрязнения сезонных наслоений ледников Приэльбрусья. Тр. ВГИ, 54. М.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 134-144.
7. Бажев А.Б., Рототаева О.В., Хмелевской И.Ф. Анализ полей элементов водно-ледового баланса ледников Эльбруса // МГИ, 1995. Вып. 79. С. 98-108.
8. Бажев А.Б., Рототаева О.В., Хмелевской И.Ф. Пространственно-временная изменчивость характеристик режима ледников южного склона Эльбруса // МГИ, 1992. Вып. 75. С. 154-163.
9. Рототаева О.В., Носенко Г.А., Хмелевской И. Ф., Тарасова Л.Н. Балансовое состояние ледника Гарабаши (Эльбрус) в 80-х и 90-х годах XX столетия // МГИ, 2003. Вып. 95. С.111-121.
TECHNIQUE OF THE ORGANISATION AND RESULTS OF MASS-BALANCE AND GEOCHEMICAL RESEARCHES ON MOUNTAIN GLACIERS (ON AN EXAMPLE OF A REFERENCE GLACIER OF ELBRUS - GARABASHI)
A.M. KERIMOV
The Centre of geographical researches of KBSC of the Russian Academy of Sciences 360010, КБР, Nalchik, street Balkorova 2 E-mail: kerimov.a.m@mail.ru
Work is devoted to the organization of mass balance and geochemical researches on mountain glaciers, on an example of a reference glacier of Elbrus - Garabashi. Morphological classification of KBR glaciers is demonstrated. Representational validity of this glacier for carrying out mass balance and geo-chemical researches is shown. Character of snow accumulation for balance year on high-altitude zones of a glacier is presented. The characteristic of a mode of snow accumulation on this glacier from 1999 to 2010 is elaborated.
Key words: balance of weight, geochemistry, accumulation, ablation, bore-pity, types of glaciers, core, chink, snow accumulation.
Работа поступила 13. 03. 2012 г. 126 Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 2 (46) 2012
