Complex geophysical study of lithalsa permafrost mounds in Sentsa river valley, Buryatia republic

1. Введение

При многолетнем промерзании дисперсных отложений формируются специфические мерзлотные формы микрорельефа в виде бугров пучения.

Изучение бугров пучения важно для территорий, содержащих инженерно-технические сооружения по нескольким причинам. Во-первых, их наличие характерно для области распространения ММП и такие объекты представляют потенциальную опасность при оттаивании. Во-вторых, бугры пучения являются геоморфологическими индикаторами прошлых и настоящих условий формирования бугров пучений. Зачастую, бугры пучения могут являться индикаторами недавних климатических и экологических воздействий.

В долине р. Сенца изучены ледоминеральные бугры пучения – литальза.. Ледяное ядро этих бугров пучения имеет сегрегационный генезис ^[1],[2] как и у пальза но, в отличие от пальза, в верхней части литальза отсутствует покрывающий его мощный (до 0,5 м) торфяной горизонт ^[3]. Высота литальза в среднем до 8 м, диаметр варьирует от 50 до 100 м ^[1]. Подобные бугры описаны на территории Канады ^[4], Индии ^[5], Норвегии ^[6] На территории России такие бугры впервые описаны в долине р.Акколь ^[7] и в долине р.Сенца ^[8],[9],[10]. Исследование литальза геофизическими методами электроразведки было успешно проведено в Канаде ^[4]. В долине р. Сенца нами впервые были проведены исследования бугров пучения методом ВЭЗ (вертикальное электрозондирование) а также проведено исследование почвенного покрова бугров и магнитной восприимчивости почв литальза.

2. Район исследования

В работе стояла цель изучения генезиса и строения лёдоминеральных бугров пучения (литальза), расположенных в долине реки Сенца (рис.1). Данный регион обладает особенными климатическими условиями, необходимыми для их зарождения и существования - средняя годовая температура воздуха колеблется от -5.6 °C до -6.6 °C ^[10], а температура самого теплого месяца находится между +9 ° C и +11,5 °C. Климат является основным фактором, регулирующим температурный режим грунтов и оказывающим основное воздействие на состояние мерзлых грунтов. Климат юга Восточной Сибири определяется географическим положением района – почти в центре Азиатского материка – и характеризуется континентальными условиями.

Рис. 1. Местоположение объекта исследования и карта фактического материала

3. Методика

Работы на территории долины реки Сенца можно разделить на два этапа

1. Электроразведочные исследования на буграх пучения методом Вертикальных Электрических Зондирований (ВЭЗ).

2. Изучение магнитных свойств почв на буграх и прилежащих территориях.

Электроразведочные работы выполнялись с использованием набора АСТРА-100 (генератор) и МЭРИ-24 (измеритель). Из-за особенностей расположения изучаемого объекта (наличие большого количества водоемов и деревьев вокруг) в качестве установки было решено использовать симметричную четырехэлектродную установку Шлюмберже, для этого было использовано два разнесенных на одинаковые расстояния в противоположном направлении питающих электрода, присоединенных к генератору и два приемных электрода, так же расположенных на одинаковом расстоянии от точки измерений. Глубинность метода ВЭЗ зависит от максимального разноса (расстояния между питающими электродами). В случае наших измерений, максимальный разнос был 100 м, что соответствует примерно 20 метрам глубинности измерений. Коррекция полученных данных производилась по скважинам пробуренным коллективом под руководством С.В.Алексеева ^[10].

Информация о намагниченности почвы была получена с помощью портативного измерителя магнитной восприимчивости ПИМВ-М по равномерной сетке с шагом по ширине и глубине шурфа 20 см.

Проведено исследование почвенного покрова, для исследования магнитной восприимчивости выбрано 5 типичных для рассматриваемой территории почвенных шурфов на разных ландшафтных позициях (автономные позиции двух бугров, склон бугра, пойма р.Сенца и понижение между буграми). Методом бихроматного окисления измерено содержание органического углерода в почвенных горизонтах. Методом ICP-MS измерено валовое содержание Fe в почвах.

4. Результаты и обсуждение

На первом этапе работ были выполнены полевые измерения на двух профилях ВЭЗ. Один профиль проходящий через два ледоминеральных бугра пучения (7 и 5 метров высотой) состоял из 20 точек ВЭЗ, второй был сделан перпендикулярно первому и проходил через один бугор пучения. На каждом профиле имеются описания двух пробуренных скважин глубинами 20 и 15 метров, необходимых для создания априорной модели. Кривые ВЭЗ на каждой точке были получены из 15 последовательных измерений на увеличивающихся разносах от 1 до 100 м (рис.2).

Рис. 2. Разрез кажущихся сопротивлений и примеры кривых ВЭЗ

На втором этапе происходило объединение кривых ВЭЗ в единый профиль с помощью программы IPI2WIN и решение обратной задачи в программе RES2DINV. После получения геоэлектрической модели был введен рельеф и проведена геологическая интерпретация, в качестве априорной информации для которой использовались данные бурения на профиле (рис.3).

Рис. 3. Результат инверсии полученных методов ВЭЗ данных (А) и литологический разрез (Б)

Верхний слой мощностью до 2.5 м непрерывен на всем исследуемом участке и имеет удельное электрическое сопротивление до 350 Ом.м, в центральной части профиля опускаясь до 20 Ом.м. В этот слой входит почвенно-растительный слой и темно-серый пылеватый суглинок, находящийся в талом состоянии.

В левой и правых частях разреза (до 150 м и после 220 м) наблюдается повышение рельефа, связанное с образованием в этих областях бугров пучения. Их исследование показало наличие аномальных объектов, отличающихся друг от друга по удельному электрическому сопротивлению и вложенных друг в друга. Объекты имеющие сопротивления (порядка 25 000 Ом.м) располагающиеся на глубинах 3-10 м – это линзы льда, ледяные ядра внутри бугров пучения ^[11]. Вокруг них так же располагается область, выделяющаяся по повышенному сопротивлению (порядка 10 000 Ом.м), опираясь на результаты бурения ^[10],[12], можно утверждать, что это суглинок, находящийся в мерзлом состоянии.

Ниже по разрезу после глубин порядка 12 м сопротивление пород резко уменьшается с 12 000 Ом.м до 3 000 Ом.м, что может быть связано с увеличением температуры залегающего там суглинка.

Магнитометрические измерения (рис.4) были выполнены с целью проанализировать магнитные характеристики почв и их зависимость от химического состава почвенных горизонтов. Полученные данные были дополнены имеющимися описаниями разрезов. За время работ было сделано более 250 измерений по стенкам шурфов.

Сочетание повышенного содержания органического углерода и повышенной магнитной восприимчивости при низком валовом содержании железа (рис. 4) может указывать на наличие железо-гумусовых агрегатов, которые влияют на значение магнитной восприимчивости в почвенных горизонтах ^[13].

Рис. 4. Распределение магнитной восприимчивости по стенке разреза аллювиальных почв JSE-17-5 (А). Графики каппаметрии, содержания органического углерода и содержания железа по глубине в верхних 16 см разреза JSE-17-5 (Б)

Полученные значения магнитной восприимчивости колеблются в пределах от 4 до 170 * 10^(-5) ед. Си. Максимальные значения составляющие 170* 10^(-5) ед. Си и 140* 10^(-5) ед. Си наблюдаются соответственно в разрезах JSE-17-6 (рис.5) и JSE-17-2, где были зафиксированы локальные аномалии магнитной восприимчивости, связанные,вероятно, с наличием железистых конкреций в разрезе.

Наибольшей магнитной восприимчивостью в разрезах JSE-17-3 (рис.6) и JSE-17-5 обладает верхная часть разреза до 10(15) см, максимальные значения в этих разрезах составляют 85* 10^(-5) ед. Си и 60* 10^(-5) ед. Си соответственно.

Рис. 5. Распределение магнитной восприимчивости по стенкам разреза подбура JSE-17-6 (А) и разреза подбура JSE-17-8 (Б)

Рис. 6. Распределение магнитной восприимчивости по стенкам разрезов подбуров JSE-17-2 (А) и JSE-17-3 (Б)

В разрезе подбура (полевой номер JSE-17-2) на пологом склоне северо-сверезападной экспозиции на бугре пучения значения магнитной восприимчивости находятся в диапазоне от 10* 10^(-5) ед. Си до 154* 10^(-5) ед. Си. По данным каппаметрии и визуального обследования диагностируются следующие горизонты:

· AY 0-5(12) см – языковатый серогумусовый горизонт, значения магнитной восприимчивости меняются от 50* 10^(-5) ед. Си до 70* 10^(-5) ед. Си, уменьшаясь с глубиной. Содержание органического углерода составляет 2.99% (рис.7).

· AYBe 5-14(18) см – языковатый элювиальный горизонт с широко волнистой границей в нем значения магнитной восприимчивости составляют от 22* 10^(-5) ед. Си до 34* 10^(-5) ед. Си, что находится в меньшем диапазоне чем вышележащий горизонт и подтверждает элювиальный характер горизонта, при этом Cорг выше, чем в серогомусовом горизонте и составляет 3,96%.

· [T]pir 18-20(26) см – в профиле диагностировал погребенный торфянистый горизонт с включениями углей, сведетельствующий о процессе пирогенеза. Магнитная восприимчивость от 10* 10^(-5) ед. Си до 22* 10^(-5) ед. Си, содержание органического углерода 7,1%.

· BHF 20(26)-57 см – в профиле диагностирован иллювиально-железистый горизонт с включениями железистых конкреций до 2 мм диаметром. Магнитная восприимчивость от 58* 10^(-5) ед. Си до 165* 10^(-5) ед. Си, содержание органического углерода от 7.49% до 33%. Повышенные значения магнитной вместе с наличием железистых конкреций восприимчивости подтвержают высокое содержание соединений железа вследствие Al-Fe-гумусового процесса. Аномлия пониженных значений магнитной восприимчивости (от 10* 10^(-5) ед. Си до 50* 10^(-5) ед. Си) в левой части разпеза может являться результатом сгорания крупного корня лиственницы, поскольку рассматриваемый бугор залесен, а в почвенных горизонтах обнаруживаются следы пирогенеза (угли)

В разрезе подбура (полевой номер JSE-17-3) располагающемся под листвиничным лесом на автономной позиции бугра пучения с западной стороны вскрывается 3 горизонта:

· AY 0-10 см – серогумусовый горизонт, значения магнитной восприимчивости от 45* 10^(-5) ед. Си до 80* 10^(-5) ед. Си . Содержание органического углерода составляет 2.41%, валовое содержание железа 4.48%.

· BF 10-42 – диагностированный в полевых исследованиях как иллювиально-железистый горизонт, значения магнитной восприимчивости от 10* 10^(-5) ед. Си до 45* 10^(-5) ед. Си . в горизонте встречаются железистые пятна и полосы по корням, содержание органического углерода 1.69%, а валовое содержание железа – 4.89%.

· C 42-102 – тяжелосуглинистый горизонт материснской породы подстилаемый мерзлым тежелым суглинком на глубине со 102 см. Значения магнитной восприимчивости лежат в диапазоне от 2* 10^(-5) ед. Си до 50* 10^(-5) ед. Си, содержание органического углерода составляет 3,72, в мерзлой толще 3.74% содержание железа 4.27 и 3.76 соответственно.

Тренд повышения и понижения магнитной восприимчивости в данном разрезе задается процессом иллювирования железа. В верхней части горизонта BF относительно повышенные значения магнитной восприимчивости совпадают с местами расположения новообразований железа. Такие же новообразования встречаются в верхней части горизонта C, полностью отсутствуя в нижней части.

Рис. 7. Графики содержания органического углерода (в процентах) от глубины.

Разрез аллювиальных почв JSE-17-5, расположенный на средней пойме р. Сенца имет структуру близкую к ГСС (горизонтально-слоистая среда). По данным каппаметрии можно выделить три слоя:

· 0-11 см, имеющий повышенную магнитную восприимчивость от 20* 10^(-5) ед. Си до 60* 10^(-5) ед. Си, в который входят следующие горизонты: дернина Av (0-2 см), намывной горизонт C (2-4 см), погребенный подстилочно-торфяный горизонт [O] (4-8 см) и намвной оглеенный горизон Cg (8-11 см). В горизонтах C и Cg наблюдаются мелкие ржавые пятна. Содержание Cорг варьируется 4.92% до 9.84%. Содержание валового желаза варьируется от 2.28% до 5.17%.

· 11-22 см – погребенный торфяный горизонт [T] с пониженной магнитной восприимчивостью от 2* 10^(-5) ед. Си до 20* 10^(-5) ед. Си. Содержание Cорг – 28.77%. Содержание валового железа 0.97%.

· 22-78 см – окисленно-глеевый горизонт материнской породы Cgox, в цветах которого преоблажают охристые ржавые пятна субвертикально вытянутые на сизоватом фоне. Горизонт имеет повышенную относительно вышележащего слоя магнитную восприимчивость от 25* 10^(-5) ед. Си. Максимальные значиния в этой области достигаются в правой части значения и составляют 52* 10^(-5) ед. Си. Содержание Cорг – 2.07%. Содержание валового железа 3.87%.

Разрез подбура JSE-17-6 расположен в понижении внутри комплекса бугров под листвиничным лесом.

· AY 0-7(28) – серогумусовый горизонт. В этом горизонте с правой стороны профиля на глубине 25 см располагается округлая суглинистая линза, выделяющаяся на фоне супесчаного гранулометрического состава горизонта. В линзе присутствует большое количество органических остатков и корней, предположительно в этой части профиля располагается бывшая нора суслика. В целом, область, в которой расположен данный профиль подвержена активной зоотурбации. Фоновое значение магнитной восприимчивости лежит в диапазоне от 5* 10^(-5) ед. Си до 37* 10^(-5) ед. Си, значение в линзе достигает 133* 10^(-5) ед. Си. Фоновое содержание органического углерода - 13.93%, а в линзе – 2.94%

· BH 6(28)-17(50), кармановидная граница – иллювиально-гумусовый горизонт. Содержание Cорг – 5.38%. Имеются включения углей. Значения магнитной восприимчивости от 20* 10^(-5) ед. Си до 60* 10^(-5) ед. Си.

· BF 17(50) – 74 – иллювиально железистый горизонт. В этом горизонте встречаются железистые пятна изометричной формы, а так же субвертикальные и субгоризонтальные охристо-ржавые полосы. Кармановидная граница хорошо диагностируется по значениям магнитной восприимчивости от 20* 10^(-5) ед. Си до 80* 10^(-5) ед. Си.

Разрез на бугре JSE-17-8, располагающийся на бугоре на терассе реки Сенца под разнотравно-злаковой растительностью. В разрезе выделеяются следующие горизонты:

· O 0-7(10) - подстилочно-торфяный горизонт. Содрежание Сорг – 4.99%. Значения магнитной восприимчивости в данном горизонте от 15* 10^(-5) ед. Си до 60* 10^(-5) ед. Си.

· BHF 7(10)-10(40) граница кармановидная, расположен преимущественно в левой части профиля – иллювиально-железистый горизонт, содержание Значения магнитной восприимчивости от 50* 10^(-5) ед. Си до 100* 10^(-5) ед. Си.Cорг составляет 2.86%.

· BH 10(40) до 40 в правой части профиля с содержанием Cорг 2.34%. В этом горизонте есть линза погребенного торфа округлой формы диаметров 8 см, на глубине 30 см, появившаяся, вероятно, в результате жизнедеятельности суслика. Значения магнитной восприимчивости от 10* 10^(-5) ед. Си до 50* 10^(-5) ед.

В профилях повышенное содержание органического углерода и повышенное значениие магнитной восприимчивости могут совпадать, особенно в верхней и средней частях профиля в виду аккумуляции Al-Fe-гумусовых соединений, что характерно для отдела альфегумусовых почв и в частности подбуров. Основным фактором распределения магнитной восприимчивости является распределение Fe и других феромагнетиков (Co, Ni, Ho и т.д.) в разрезе.

5. Заключение

Полученные результаты доказали наличие сформировавшихся ледяных ядер удельное электрическое сопротивление которых находится в пределах от 18 000 Ом∙м до 30 000 Ом∙м, что контрастно выделяется на фоне вмещающих пород. Вмещающие породы представлены преимущественно суглинкам, имеющими удельные сопротивления 80-300 Ом∙м. В центре разреза имеется область (154 м -215 м) в которой отсутствуют высокоомные объекты – это межбугорное понижение.

В ходе наших исследований установлено, что ледяные ядра располагаются на глубинах порядка 4 метров и имеют вертикальную мощность около 10 метров. Интересным является наличие двух отдельных ледяных ядер в самом крупном из изученных бугров. Это может говорить о о том, что данный бугор образовывался как два самостоятельных, а затем из-за близкого расположения объединились в один.

Магнитометрия подтвердила высокую интенсивность альфегумусового процесса в почвах литальза. Магнитометрические работы позволили сделать вывод о возможности диагностирования скопления железа и наличия железистых конкреций, как видимых после зачистки стенки профиля, так и не видимых за слоем почвы. Предположения о наличии Fe были проверены аналитически. Кроме того, большое влияние на распределение магнитной восприимчивости в разрезах играет явление зоотурбации. Обитающие в этом районе грызуны в результате своей жизнедеятельности создают места для аккумуляции железистых соединений, являющихся причиной аномалий.

Благодарности: Авторы благодарны д.г.-м.н С.В.Алексееву и д.г.-м.н Л.П.Алексеевой за организацию полевых работ и А.А. Светлакову за помощь в проведении измерений ВЭЗ.