Предварительный анализ температурного состояния грунтов острова Ольхон (по данным мониторинга)

Светлаков Артем Александрович; Козырева Елена Александровна; Рыбченко Артем Александрович

19. Сираев Р.У., Акчурин Р.Х., Чернокалов К.А. и др. Алго- НГК // Вестник Иркутского государственного технического ритм бурения горизонтального ствола в трещиноватых кар- университета. Иркутск, 2013. № 11 (82). С. 120-124. бонатах рифея в условиях АНПД, Юрубчено-Тохомское

УДК 551.345.1

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ ОСТРОВА ОЛЬХОН (ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА)

Институт Земной коры СО РАН,

664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.

Представлены результаты мониторинга температурного режима грунтов о. Ольхон, отражающие современное состояние южной области криолитозоны. Выполнен сопоставительный анализ данных, полученных из фондовых материалов предыдущих лет с инструментально зафиксированными особенностями распределения температурного поля в грунтовой толщи. На основе данных годового температурного состояния грунтов и распределения температур по глубине выделены временные периоды активизации солифлюкционных оползней на о. Ольхон. Ил. 2. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: температурный режим грунтов; солифлюкции; мерзлые грунты.

PRELIMINARY ANALYSIS OF OLKHON ISLAND GROUNDS TEMPERATURE (BASED ON MONITORING DATA) А.А. Svetlakov, Е.А. Kozyreva, А.А. Rybchenko

Institute of Earth's Crust SB RAS,

128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.

The article introduces the data of Olkhon island ground temperature regime monitoring that reflect modern temperature conditions of the grounds in the southern area of cryolithozone. A comparative analysis was given to the archive data of former investigations and those instrumentally obtained with recorded peculiarities of temperature field distribution in the ground depth. Based on the data of annual grounds temperature regimes and depth distribution of temperatures the temporal periods of solifluction landslide activation have been identified. 2 figures. 10 sources.

Key words: temperature regime of grounds; solifluction; permafrost.

Проблема современного состояния многолетне-мерзлых пород в условиях изменяющегося глобального климата считается весьма дискуссионной. Одной из сложных задач в решении обозначенной темы является определение зависимости и возможной взаимосвязи между состоянием многолетнемерзлых пород и климатом. По этому вопросу существуют полярные точки зрения. В работах одних исследователей утверждается: происходящий обмен тепловой энергией в системе «воздух-грунт» приводит к тому, что вечная мерзлота на современном этапе планетарного развития является климатически уязвимым элементом природной среды [7, с. 29-36]. Другая группа учёных гипотезу трансформации температурного режима грунтов подтверждает лишь частично. Например, в работах А.А. Васильева, Д.С. Дроздова и Н.Г. Москаленко отмечается, что деградация многолетнемерзлых грунтов незначительна: изменяется общее температурное состояние, но не происходит заметной трансформа-

ции многолетнемерзлых грунтов, а на некоторых участках наблюдается уменьшение среднегодовой температуры пород [1, с. 10-18].

На территории Восточной Сибири многолетне-мерзлые грунты распространены спорадически. По материалам Ф.Н. Лещикова, данная территория относится к области редкоостровного и островного распространения многолетнемерзлых пород криолитозоны. В местах распространения линз многолетнемерзлых грунтов температура массива ниже деятельного слоя составляет от -0,1^ до -0,5^ [2]. Исследуемый район - остров Ольхон территориально относится к южной области криолитозоны, где наиболее ярко могут проявляться процессы деградации линз и островов унаследованных мерзлых грунтов. Поэтому оценка современного состояния многолетнемерзлых грунтов в пределах южной области криолитозоны, выявление температурного режима и анализ направленности процессов трансформации геологической среды -

1Светлаков Артем Александрович, аспирант, тел.: 89501309935, e-mail: [email protected] Svetlakov Artem, Postgraduate, tel.: 89501309935, e-mail: [email protected]

2Козырева Елена Александровна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент лаборатории инженерной геологии и геоэкологии, тел.: 89149436608, e-mail: [email protected]

Kozyreva Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associated Professor of the Laboratory of Engineering Geology and Geoecology, tel.: 89149436608, e-mail: [email protected]

3Рыбченко Артем Александрович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории инженерной геологии и геоэкологии, тел.: 89148859558, e-mail: [email protected]

Rybcheko Artem, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Engineering Geology and Geoecology, tel.: 89148859558, e-mail: [email protected]

сегодня очень актуальны. В этом направлении ведутся работы в рамках международной программы: «Тепловое состояние многолетнемерзлых грунтов». Её цель

- установить мониторинговую сеть, которая позволит зафиксировать и отобразить температурные изменения в глобальном масштабе. Остров Ольхон как представительный участок, отражающий современное состояние южной области распространения мерзлых пород, был включён в структуру этой мониторинговой сети.

При изучении мерзлых грунтов важно знать их температурное состояние, а также учитывать периоды теплооборотов в породе, которое выражается в количестве тепла, приходящего в породу за полупериод нагревания и уходящего за полупериод охлаждения. Температура - главная характеристика состояния грунта. От её изменения зависит физическое состояние воды, что в свою очередь оказывает влияние на физико-механические свойства почвы. Особенности формирования инженерно-геологических условий территории Восточной Сибири во многом базируются на состоянии многолетнемерзлых пород: глубины их сезонного промерзания и протаивания, годовых распределений теплового потока. Многие экзогенные процессы, такие, как выветривание, оползни, солифлюк-ция, морозобойное растрескивание, связаны с изменением температурного состояния грунтов.

На Ольхоне широко распространены степные и лесостепные ландшафты. Приморский хребет ограждает район от проникновения влажных воздушных масс. Для климата острова характерно небольшое количество осадков и неравномерное их распределение по сезонам. Годовое количество осадков изменяется от 88 до 345 мм; в среднем за год выпадает до 200 мм, основная их часть приходится на теплый период. Снеговой покров незначителен и колеблется: в лесном массиве до 10-15 см, в степной области - не покрывает травы и непостоянен. Среднегодовая температура воздуха составляет от -1,6^ до +3,6°^ Переход через ноль отмечается: осенью в конце октября

- начале ноября, а затем в конце февраля - в начале марта [2].

Для изучения современного состояния температурного режима грунтов на острове Ольхон проводился этап подготовительных работ, были собраны и проанализированы фондовые и опубликованные материалы по теме исследований. На основе обобщенных данных и выбрали территорию для организации мониторинга. Исследования проводились на западном побережье о. Ольхон, на площадке, расположенной северо-восточнее п. Харанцы, в заливе Харалдайский, между мысами Харанцы и Харалдай. Определялось температурное состояние вмещающих грунтов крупного оползневого участка. Представительность площадки продиктована наличием информации о распространении там многолетнемерзлых грунтов, развитии активных оползней, данными о динамике процесса за последние три года, а также геолого-структурными особенностями территории.

В 2012 г. на участке пробурили скважины без промывки и установили четырехканальный логгер HOBO

U12, с периодом измерения температуры раз в три часа и точностью прибора от -40° до +70 (100°C). Датчики фиксировали температуру на глубинах 0,6 м, 1,0 м, 1,6 м и 3,6 м. В пределах изучаемого участка также осуществлялись наблюдения за температурой атмосферного воздуха двухканальным логгером HOBO Pro V2 2 ext. Temp, измеряющим в пределах от -40° до +70° (100°C). Базы данных сохранялись в памяти устройства и снимались во время проведения очередного цикла мониторинговых исследований. В течение года, с конца июля 2012 г. по август 2013 г., фиксировались данные колебаний температур. Во время экспедиционных работ 2013 г. мониторинговую сеть расширили: логгеры были также установлены в различных геоморфологических и ландшафтных условиях и на глубинах ниже деятельного слоя.

Что же показал мониторинг? Остров Ольхон, согласно опубликованным данным, в мерзлотном отношении разделен на две части: северо-западная относится к области редкоостровного распространения многолетнемерзлых грунтов; юго-восточная имеет островное распространение многолетнемерзлых пород. Для первой области характерен степной ландшафт с небольшими лесными массивами, в основном хвойных пород. Мерзлыми грунтами представлены рыхлые отложения, распространенные в основном по долинам рек и на заболоченных участках.

Температура пород находится в интервале от -0,1°C до -0,2°C. Мощность пород достигает 30 м.

Территория второй области покрыта крупными хвойными лесными массивами, находящимися в основном на северном склоне горного хребта, что служит охлаждающим фактором для формирования многолетнемерзлых грунтов [5]. Мерзлыми, как правило, на данной территории являются коренные породы верхней части выветрелой зоны. Их температура колеблется в пределах от -0,2°C до -0,5°C. По опубликованным данным, верхняя граница многолетнемерзлых пород залегает на глубине 3 м, на заторфованных участках - на глубинах от 0,5 до 1,0 м [4, 9].

Протаивание грунтов на территории о. Ольхон начинается в первой половине апреля, иногда в конце марта, вслед за уходом снежного покрова и перехода температуры атмосферного воздуха через 0°C. Положительные температуры устанавливаются на период 3-4 месяцев. В июле-августе отмечается максимальная скорость протаивания, когда грунт достаточно прогрет. Замерзание происходит в конце октября -начале ноября, в момент перехода температуры атмосферного воздуха через 0оС. Наибольшей величины промерзание достигает в конце марта - начале апреля. Весь процесс продолжается 7-8 месяцев.

С августа 2012 г. по август 2013 г. были получены данные температурного режима и построены графики, отображающие температурное состояние грунтов за этот период (см. рис.1). В цикле годового теплооборо-та отмечается два неполных полупериода нагревания и полный полупериод охлаждения пород. Температура почвы имеет значительные амплитуды колебаний: так, на глубине 0,6 м она изменяется от +12,3°C до -11,8°C; на глубине 1,0 м - от +6,6°C до -7,0°C; на от-

метке 1,6 м температура колеблется от +3,5°С до -4°С. В момент нагревания грунты получают больше тепла, чем теряют в момент охлаждения, что отмечено на глубине 0,6 м. Среднегодовые значения температур здесь составляют 0,1 оС. Но с глубиной ситуация изменяется: начиная с отметки -1,0 м, максимальные отрицательные температуры превалируют над положительными. Это подтверждается и среднегодовыми значениями температур: на глубине 1,0 м она равняется минус 0,3°С и на отметке 1,6 м -0,2°С. Данные условия являются хорошим фактором для сохранения и поддержания отрицательных температур многолет-немерзлых грунтов.

Стоит отметить, что для изучения мерзлотных условий важной характеристикой является сдвиг фазы годового хода (запаздывание) температуры. Запаздывание отмечается на границе перехода от положительных температур к отрицательным, т.е. при переходе через нулевое значение. На первом графике (см. рис.1.) переход через 0°С на глубине 0,6 м произошел в начале октября, на уровне -1,0 м такая температура установилась в начале ноября, а на -1,6 м переход состоялся только во второй половине января. Очевидно: с увеличением глубины возрастает и время проникновения температурного потока. Так, для преодоления интервала от 0,6 м до 1,0 м температурным потоком было затрачено 35 суток, от 1,0 м до 1,6 м сдвиг составил 50 суток, и с глубины 1,6 м до 3,6 м переход от положительных температур к отрицательным произошел через 60-70 суток. Полученные данные соответствуют материалам А.Б. Шерстюкова. По выводам учёного, значения запаздывания в Восточной Сибири в интервале от -0,8 м до минус 1,6 м изменяются в диапазоне от 19-25 суток и более, а для интервала от -0,8 м до -3,2 м запаздывание составляет от 60-80 суток. Также автор отмечает, что наибольшее запаздывание температурного потока на глубину

наблюдается на территории, занятой преимущественно многолетнемерзлыми грунтами [10, с. 92-96]. Таким образом, полученная величина запаздывания в распределении нулевых температур с глубиной на о. Ольхон свидетельствует о потенциальном присутствии на исследуемой территории многолетнемерзлых пород в разрезе. Кроме того, и наблюдательная скважина на выбранном участке вскрыла область распространения многолетнемерзлых пород. Данные мониторинга стали важной информацией для оценки современного состояния южной области криолитозоны в сложившихся природных и климатических условиях.

Одним из важных моментов в исследовании режима формирования температурного поля в грунтах является анализ температур на нижней границе сезонного промерзания-протаивания. Температурный датчик на оползневом участке наблюдения был установлен ниже границы сезонных колебаний, т.е. на глубине 3,6 м. Распределение тепла и холода здесь происходит специфически (см. рис. 2). За период 20122013 гг. среднегодовая температура на глубине 3,6 м имела отрицательный годовой градиент, который колебался в пределах -0,1°С. Однако помесячное распределение продемонстрировало период с декабря по март, когда стабильно фиксировалась температура +0,14оС. Для анализа состояния грунтов мы располагаем данными только одного года мониторинга. Однако нельзя исключить в дальнейшем и более суровые зимы, когда температура почвы на глубине 3,6 м будет отрицательной.

На данный момент полученные значения положительных температур можно расценить и как тренд медленного смещения годовых температур в область положительных значений. Однозначного вывода делать пока рано - необходима большая продолжительность наблюдений.

Еще один аспект в анализе состояния темпера-

Дата, сут

0,6м — 1,Ом 1,6 м З.б м

Рис. 1. График изменения температуры грунтов по данным логгеров скв. №1 в период с августа 2012 г.

по август 2013 г.

Рис. 2. Термоизоплеты грунта по данным температурных датчиков скв. №1 в период с августа 2012 г.

по август 2013 г.

турного поля грунтов обращает на себя внимание -глубина сезонного протаивания. По данным Ф.Н. Ле-щикова, опубликованным в 1984 году, глубина сезонного протаивания на Ольхон варьируется в диапазоне от 2,5-3,0 м [6, с. 71-76]. Датчик температурного режима нами был установлен ниже обозначенной границы, а значит, должен отражать температуру состояния многолетнемерзлых грунтов.

В ходе мониторинга устойчивых отрицательных температур на этой глубине не наблюдалось, что может говорить об установлении нижней границы сезонного протаивания на данном участке в пределах глубины 3,6 м. Таким образом, мощность глубины сезонного протаивания несколько увеличилась в сравнении с данными Ф.Н. Лещикова: с 2,5-3 м до 3-3,6 м.

Следует отметить, что участок исследований расположен на склоне, сложенном кайнозойскими переслаивающимися суглинисто-супесчаными рыхлыми отложениями с включениями песка и щебня. Склон поражен оползневыми процессами, приводящими к смятию, перемешиванию и деформациям грунтовых толщ. По литологическому разрезу породы неоднородны и обладают различными, в основном невысокими прочностными показателями. Отдельные прослои супеси интенсивно обводнены, что также может приводить к трансформации температурного поля породы. Гидрогеологическая ситуация на участке сложная: отмечаются локальные выходы грунтовых вод в виде мочажин и заболоченностей.

Развивающиеся здесь оползни относятся к типу солифлюкционных, когда медленное вязко-пластическое течение увлажненных тонкодисперсных грунтов на склоне развивается в процессе промерза-ния-протаивания (Геологический словарь, 1973). Выделяются формы солифлюкционных оползней, связанных с протаиванием многолетнемерзлых грунтов, и формы поверхностных оползней, спровоцированных процессами в деятельном слое. Запуск и реализация механизмов деформаций склона по оползневому типу является одним из важных вопросов особенностей температурного поля в годовом режиме. От сочетания количества осадков, влажности и температуры почвы, при неизменном литологическом составе грунтов, за-

висит устойчивость оползневого склона. Переувлажненные грунты в период с мая по июнь (см. рис. 2) проявляют наибольшую оползневую активность по еще не протаявшему деятельному слою. Формируются поверхностные оползни. Более глубокие деформации, мощности смещения которых свыше 1,5 м, возникают осенью: в сентябре-октябре, первой половине ноября. Таким образом, распределение температурного режима грунтов позволяет определить временные периоды активизации солифлюкционных оползней в годовом цикле.

Состояние температурного режима грунтов также во многом зависит от внешнего воздействия, а именно от изменения температуры атмосферного воздуха. Исследуемая территория является южной областью криолитозоны, отражая положение южной границы распространения многолетнемерзлых грунтов, а значит, она служит индикатором глобальных трансформаций геологической среды вследствие температурных колебаний. Согласно опубликованным данным Л.Т. Мяча, Л.И. Болтневой и Б.Г. Шерстюкова, температура воздуха на территории Восточной Сибири, и в частности в районе озера Байкала, на протяжении последних 50 лет имеет тенденцию к росту. По некоторым прогнозным оценкам, приращение среднегодовых значений температуры до 2025 года составит от 0,6 до 2,6°^ что может оказать влияние и на температурный режим грунтов. По тем же прогнозным оценкам, приращение среднегодовых значений на глубине 1,6 м будет находиться в диапазоне 0,4-2,1^ [8, с. 80-90]. Такое повышение температуры грунтов приведет к увеличению продолжительности периодов активизации оползневых процессов на всей территории о. Ольхон, что станет причиной деградации линз и островов мерзлых грунтов и в конечном итоге приведёт к смещению южной границы криолитозоны.

Точные ответы на вопросы о деградации многолетнемерзлых грунтов или сохранности мерзлоты на территории о. Ольхон мы сможем получить по мере накопления мониторинговых данных. В 2013 г. мониторинговая сеть была расширена, температурные датчики установлены в разных геоморфологических и ландшафтных условиях. Наблюдения ведутся как в

пределах деятельного слоя, так и ниже его подошвы до глубины 10 м. Но уже сегодня мы можем сделать следующие выводы:

1. Выбранный и оборудованный участок по мониторингу за состоянием температурного режима грунтов южной границы криолитозоны представителен. Он отражает мощность сезонного промерзания-протаивания и находится в зоне распространения линз и островов многолетнемерзлых пород.

2. Для территории Ольхон, его степной части, установлен период запаздывания в распределении отрицательных температур, который составил 120130 суток на всю мощность деятельного слоя.

3. Зафиксирована среднегодовая температура грунтов ниже деятельного слоя с отметкой 3,6 м - минус 0,1 °С.

4. По данным годового мониторинга (предварительный анализ), отмечается увеличение глубины сезонного промерзания по сравнению с данными прошлого столетия с 2,5-3 м (по опубликованным данным) до 3-3,6 м (инструментальные измерения).

5. Температурный режим грунтов предопределяет периоды активизации солифлюкционных оползней в годовом цикле на острове Ольхон.

Статья поступила 10.02.2014 г.

Библиографический список

1. Васильев А.А., Дроздов Д.С., Москаленко Н.Г. Динамика температуры многолетнемерзлых пород Западной Сибири в связи с изменениями климата. Новосибирск: ГЕО, 2008. С. 10-18.

2. Иметхенов А.Б., Долхонова Э.З., Елбаскин П.Н. Ольхон - край родной. Улан-Удэ: Изд-во БурГУ, 1997. 352 с.

3. Кудрявцева В.А. Общее мерзлотоведение. М.: Изд-во МГУ, 1978. 464 с.

4. Лещиков Ф.Н. Криолитозона юга Восточной Сибири и ее инженерно-геологические особенности. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1991. 428 с.

5. Лещиков Ф.Н. Мерзлые породы Приангарья и Прибайкалья. Новосибирск: Наука, 1978. 142 с.

6. Лещиков Ф.Н., Спесивцев В.И., Мирошниченко А.П. Оползневые деформации на берегах о. Ольхон. Новоси-

бирск: Наука, 1984. С. 71-76.

7. Малевский-Малевич С.П., Молькентин Е.К., Надежина Е.Д. и др. Моделирование и анализ возможностей экспериментальной проверки эволюции термического состояния многолетнемерзлых грунтов. Новосибирск: ГЕО, 2007. С. 2936.

8. Мяч Л.Т., Болтнева Л.И., Шерстюков Б.Г. Изменение климатических условий и температуры грунтов в районе озера Байкал во второй половине ХХ и в начале xXi века. Новосибирск: ГЕО, 2011. С. 80-90.

9. Пальшин Г.Б. Инженерная геология Прибайкалья. М.: Наука, 1968. 193 с.

10. Шерстюков А.Б. Запаздывание годового хода температуры почвогрунтов на глубинах до 320 см по данным метеостанций России. М.: Наука, 2010. С. 92-96.

УДК 528.88

МОНИТОРИНГ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ВОЗРАСТНЫХ КАТЕГОРИЙ РИСОВЫХ ПОСЕВОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ МНОГОЗОНАЛЬНОЙ СЪЕМКИ ЬДМйБДТ 7 ЕТМ+

1,2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. Технический университет им. Ле Куй Дон, 122000, Ханой, Вьетнам.

Возраст рисовых посевов является одной из важнейших характеристик для оценки состояния и прогнозирования урожайности ценнейшей культуры. Коэффициент отражательной способности рисовых полей в видимом и инфракрасном диапазоне позволяет определить возрастные категории посевов. В статье рассматривается методика мониторинга и картографирования возраста рисовых посевов на основе индекса развития RGVI, рассчитанного по данным многозональной съемки LANDSAT 7 ЕТМ+. Ил. 5. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: дистанционное зондирование; многозональная съемка; индекс RGVI; возраст посевов риса.

1 Ступин Владимир Павлович, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89647482242, e-mail: [email protected]

Stupin Vladimir, Candidate of Geography, Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89647482242, e-mail: [email protected]

2Хоанг Зыонг Хуан, аспирант, тел.: 89247005773, e-mail: [email protected] Hoang Duong Huan, Postgraduate, tel.: 89247005773, e-mail: [email protected]

3Чинь Ле Хунг, кандидат технических наук, преподаватель кафедры геодезии и картографии, тел.: 0986652185, e-mail: [email protected]

Trinh Le Hung, Candidate of technical sciences, Lecturer of the Department of Geodesy and Cartography, tel.: 0986652185, e-mail: [email protected]

PRELIMINARY ANALYSIS OF OLKHON ISLAND GROUNDS TEMPERATURE (BASED ON MONITORING DATA)

Текст научной работы на тему «Предварительный анализ температурного состояния грунтов острова Ольхон (по данным мониторинга)»