Вечная мерзлота и горные ледники.
Под вечной мерзлотой имеется ввиду грунт: например скальные или рыхлые породы, температура которого постоянно держится на уровне 0°C или ниже.
В летний период происходит оттаивание близлежащих к поверхности участков - активного слоя. Вечная мерзлота занимает около четырех процентов территории Швейцарии и преимущественно находится на высоте 2500 м над уровнем моря. В горных районах существует два основных типа вечной мерзлоты:
- бедная льдом вечная мерзлота в скальных породах, где лед находится только в трещинах, щелях, расщелинах и порах мерзлой породы.
- богатая льдом мерзлота у подножия крутых склонов, где отложения массовых движений (лавин и камнепадов) накапливаются и образуют субстрат, перенасыщенный льдом и содержащий больше льда, чем горной породы.
В данном исследовании мы сосредоточимся на скальных ледниках (рис. 1а).
Рисунок 1.
a) Снимок с дрона скального ледника Шафберг-Урсина, Понтрезина, Швейцария (фото: A. Bast). Хорошо видна языкообразная структура с крупноблочной поверхностью, крутыми фронтальными лопастями с сильно наклоненными краями, выраженными гребнями и впадинами. Белая стрелка указывает положение скважины с пьезометрами.
б) Бурение скважины на скальном леднике в августе 2020 года (фото: Н. Бюлер). в) Пьезометр KELLER PAA-36XiW с текстильной защитой (фото: М. Филлипс).
В ряде случаев учитывая особенности грунтов и условий установки преобразователь давления с конусной насадкой-фильтром из спечёной стали для «порового давления».
Они являются характерной особенностью богатой льдом горной вечной мерзлоты. Они представляют собой языкообразные формы рельефа, состоящие из слоев льда и горных пород, которые движутся вниз со скоростью от нескольких сантиметров до нескольких метров в год. Они переносят вниз рыхлый горный материал, как конвейерные ленты, а их крутые фронтальные доли являются потенциальными исходными зонами для камнепадов и селевых потоков.
Движения скальных ледников и вода.
В Альпах фиксируется ускорение движения скальных ледников, что повышает вероятность массовых движений, таких как сход селевых потоков с лобовых долей на крутом рельефе. Ускорение можно объяснить изменением климата и связанным с ним потеплением вечной мерзлоты, которое сопровождается увеличением содержания воды в богатой льдом вечной мерзлоте.
Лед и содержание воды в горных ледниках моделировались для изучения будущего наличия воды. Для изучения движения горных ледников изучается гидрология, анализируются аэрофотоснимки, данные GNSS (глобальной навигационной спутниковой системы), метеорологические данные и сроки образования снежного покрова. Кроме того, был определен отток воды из скальных ледников и оценена их потенциальная влагоемкость.
До 2020 года прямых измерений воды в вечной мерзлоте не проводилось. Однако, такая прямая информация о гидрологии горных ледников, об изменениях содержания льда и воды и о формировании незамерзающих зон, таликов, необходима для лучшего понимания горных ледников и их движения. В зависимости от свойств почвы, солености и давления значительная часть незамерзшей воды может существовать при температуре ниже 0°C, как показали, например, георадарные измерения, проведенные Музилем (2006) в скальном леднике Мурагл, Оберенгадин, Швейцария.
Новый метод измерения для регистрации гидрологии горных ледников.
Скальные ледники находятся вблизи точки таяния льда, и данные о температуре в скважине сами по себе не позволяют отличить лед от воды, поскольку оба эти вещества могут сосуществовать при температуре около 0°C. Это означает, что относительные изменения содержания льда и воды необходимо отслеживать с помощью других методов, таких как геофизические методы и/или пьезометрические измерения. Это важно, поскольку содержание воды в вечной мерзлоте отчасти определяет, насколько быстро движется богатая льдом вечная мерзлота.
Летом 2020 года мы пробурили три скважины в скальном леднике Шафберг Урсина, к северу от Понтрезины, Оберенгадин в Восточных Швейцарских Альпах (рис. 1 a и b). Одна из скважин оборудована десятью пьезометрами KELLER PAA-36iW на глубине от 2 до 8,5 м (рис. 1c).
В двух других скважинах проложены многожильные кабели для проведения томографии удельного электрического сопротивления (ERT) в поперечном направлении. На основе данных ERT можно создать модели удельного сопротивления грунта, которые дают информацию об относительных изменениях содержания воды и льда и дополняют пьезометрические данные.
Данные пьезометра показывают развитие эффективного давления, измеряемого на мембране датчика (измеряется относительно вакуума; диапазон давления 60-230 кПа, точность ±11,5 кПа). Датчики были объединены с десятью температурными датчиками PT 1000 (точность ±0,1°C). Перед установкой датчики были смазаны вазелином и обернуты тонким материалом (маски для лица) для защиты. Датчики подключены к двум боксам KELLER ARC-1 с регистраторами данных 4G, которые также содержат барометр. Данные собираются ежечасно и ежедневно передаются на облачную платформу данных через мобильную телефонную сеть.
Результаты.
Датчики давления поровой воды никогда ранее не использовались в ледниках, богатых льдом. Первые результаты обнадеживают. Имеются четкие признаки присутствия воды в леднике, богатом льдом, что подтверждается стратиграфией скважин, зарегистрированных во время бурения в августе 2020 года.
Рисунок 2:
a) Среднесуточное пьезометрическое давление на глубине от 2,0 до 8,5 м (январь 2021 - июнь 2023 гг.). Тонкие черные линии представляют изобары на уровне 1,0, 1,5 и 2,0 бар. Синие и красные линии и сопутствующие им значения представляют изотермы 0°C, -1°C и -2°C (данные: WSL Institute for Snow and Avalanche Research SLF, модифицировано в соответствии с Bast et al. 2024).
b) Стратиграфия скважины в августе 2020 года и положение пьезометра KELLER в скважине (синие точки; GOF: поверхность земли).
В период с 2021 по 2023 год содержание воды уменьшилось из-за малого количества осадков и охлаждения почвы в результате двух малоснежных зим (рис. 2a и b). Пониженные температуры и сухие условия привели к тому, что горный ледник смог охладиться и замерзнуть, что также замедлило скорость движения горного ледника. На некоторых глубинах содержание воды повышается во время таяния снега или после интенсивных дождей, что указывает на латеральный поток воды в каменном леднике. Данные пьезометрии согласуются с результатами измерений ЭРТ.
Эксперименты в лаборатории.
Поскольку пьезометры ранее не использовались в горных мерзлотных скважинах, полученные данные следует интерпретировать с осторожностью. Если температура грунта опускается ниже 0°C, образование льда может сильно повлиять на давление, измеряемое в корпусе датчика, и тем самым не отразить преобладающее давление на данной глубине.
Харрис и Дэвис (1998) столкнулись с подобными проблемами в своих лабораторных экспериментах. В настоящее время проводятся другие эксперименты в контролируемых условиях в холодной лаборатории SLF для определения поведения датчиков KELLER PAA-36XiW при различном содержании грунтового льда и воды. Однако пьезометры на леднике Шафберг, богатом льдом, дают значимые данные и указывают на присутствие воздуха, воды и/или льда, а также на сезонные колебания давления во влажных слоях. Представленные здесь данные подчеркивают гетерогенную и сезонно изменчивую природу субстрата, что подтверждается контрастными стратиграфиями скважин.
Датчики в сложных условиях.
При установке датчиков возникли следующие технические трудности:
Обрушение стенок скважины между извлечением буровой головки и установкой датчиков, что потребовало использования стабилизирующей ПВХ-трубы в верхних 4 м грунта.
Установление эффективного контакта между датчиками и стенками скважины.
Материал, использованный для заполнения скважины, отличается от исходного субстрата каменного ледника. Неизвестно, оседал ли впоследствии материал заполнения, были ли датчики эффективно закрыты во время заполнения и не было ли в них пустот. Скальные ледники — это динамичные формы рельефа. Такие процессы, как оседание, ползучесть или изменение содержания льда и воды, могут представлять собой проблему для долгосрочной сохранности датчиков в бесканальных скважинах.
Заключение.
Первые анализы показывают ежедневные, а также сезонные и долгосрочные изменения содержания воды в скальных ледниках.
Эта информация поможет восполнить пробел в непосредственном количественном определении содержания воды в скальных ледниках и достичь лучшего понимания причин движения скальных ледников.
Пьезометрические данные дают ценную информацию о местных характеристиках субстрата скальных ледников. Эти данные способствуют нашему пониманию факторов, определяющих кинематическое ускорение скальных ледников и будущую водообеспеченность этих форм рельефа.
Преобразователь KELLER PAA-36XiW
Автономный передатчик с регистратором данных ARC1
Мы будем рады предоставить консультацию по всем интересующим Вас вопросам. Просто заполните форму и наши специалисты свяжутся с Вами в ближайшее время.
