Закономерности формирования геокриологических условий районов активного вулканизма (на примере района Ключевской группы вулканов)

Глава 2. Методологический подход к изучению геокриологических условий.

Во второй главе приводится обзор методик исследования геокриологических условий горных районов, методологические аспекты проведённых исследований.

Для изучения геокриологических условий исследуемого района, были организованы полевые работы. Они включали в себя выбор ключевых участков, бурение скважин и оборудование их термометрической аппаратурой, маршрутные исследования, организацию площадок для наблюдения за динамикой сезонного протаивания.

Бурение проводилось станком УКБ 12/25, колонковым методом, без промывки или продувки. Использовались специальные ложки с твердосплавными коронками. Диаметр извлекаемого керна составлял от 9 до 4 см. Верхние 2 метра скважин обсаживались пластиковой трубой.

В диапазоне высот 800-3000 м пробурено более десяти скважин, четыре из которых имеют глубину более 10 м, а самая глубокая - 25 м (таблица 1, расположение скважин показано на рис. 6). Скважины располагались на ровных площадках, практически лишенных растительного покрова, с уклоном не более 6 градусов, в основном на склонах юго-западной ориентации. Места расположения скважин рассматриваются в качестве типичных ключевых участков.

В процессе бурения описывалось криогенное строение керна, отбирались образцы для определения гранулометрического состава, химического состава водной вытяжки, газового состава, pH, содержания органического углерода, микробиологических исследований (проводились в ИФХиБПП РАН) и радиоуглеродного датирования. Так как содержание незамёрзшей воды в обломочных отложениях невысоко, то содержание льда определялось по весовой влажности образцов.Теплофизические свойства вулканических пеплов и шлаков определялись как в поле (зондовым методом), так и в лаборатории (методом регулярного режима I рода (α-калориметра)). Исследования проводились в мёрзлом и талом состоянии.

Подготовка образцов для определения возраста, и сами анализы методом AMS, проводились в радиоуглеродной лаборатории Университета Цюриха.

Рис. 6. Геокриологическая карта Ключевской группы вулканов. Оригинальный масштаб 1:100 000.Система координат WGS 84, поперечная проекция Меркатора, зона 57U.

Единовременные замеры температур в скважинах проводились после периода выстаивания, косами c терморезисторными датчиками (точность измерения 0,1^oС) производства ОАО <ПНИИИС>. Для круглогодичного мониторинга температур использовались логгеры производства компании Onset сomputer сorporation (HOBO Pro series, 2 и 4 канальные) с терморезисторными датчиками (точность измерения 0,25^oС), замер производился каждые 6 часов (глубины установки датчиков приведены в таблице 1).

Измерения глубины слоя сезонного оттаивания проводились в шурфах и металлическими щупами. Для наблюдения за динамикой глубин сезонного оттаивания, рядом со скважинами было оборудовано 3 площадки (на высотах 1330 и 1630 м), размером 100х100 м, замеры проводились с шагом 10 м в конце теплого сезона (сентябрь).

Приведён обзор существующих методик экспресс картирования и оценки мощностей многолетнемёрзлых пород в горных районах. Анализ полученных полевых материалов и доступных данных дистанционного зондирования, показал целесообразность выбора эмпирико-статистического подхода к картированию многолетнемерзлых пород для района работ.

Как следует из истории изучения, все предыдущие исследователи прибегали к расчетным методам при геокриологическом картировании Камчатки. Поэтому, выбранная автором диссертации методика картирования многолетнемёрзлых пород района Ключевской группы вулканов, является логическим развитием идей предшественников, выполненная на современном техническом уровне и с привлечением фактических данных полевых работ.

Основными факторами, определяющими возможность формирования и температурный режим многолетнемерзлых пород в данном районе, являются температура воздуха, солнечная радиация, растительный и снежный покровы.

В качестве входных данных использовались данные метеостанции Ключи, температурные замеры в скважинах и цифровая модель рельефа (ЦМР) разрешением 90 м, полученная в ходе Радарной Топографической миссии космического корабля Шаттл (USGS, 2004).

Для расчета среднегодовой температуры воздуха использовалась формула:

где ALT это высота поверхности над уровнем моря в метрах, взятая из ЦМР. Высотный градиент 0,0045^oС/м был рассчитан по данным метеостанции Ключи (29 м над уровнем моря), данным с автоматических метеостанций на высотах 1000 и 1180 м и замерам на глубине 10 м в толще ледника Ушковского вулкана (высота 3900 м), который можно принимать равным среднегодовой температуре воздуха (Loewe, 1970). Все данные взяты за 1996-1997 гг. (рис. 3а). t₀ - среднегодовая температура воздуха на уровне моря, которая для района работ, по данным метеостанции Ключи за последние десять лет, может быть принята равной 0^oС.

Рис. 3. а) изменение среднегодовой температуры воздуха с высотой (1996-1997 гг.) по данным м/с Ключи и автоматических метеостанций б) соотношение Δt и средней (за день, за неделю) прямой солнечной радиации (RAD) по Bartlet et al. (2006) в) соотношение Δt и средней (за год) прямой коротковолновой солнечной радиации (RAD), рассчитанной по модели рельефа для имеющихся скважин с замерами среднегодовой температуры пород, для незакрашенных точек замер Δt был произведён после создания модели (в 2007 и 2008 г.).

Среднегодовая температура пород рассчитывалась по формуле 2:

где RAD это среднегодовая потенциальная прямая коротковолновая солнечная радиация (Вт/м²), рассчитанная по ЦМР с помощью алгоритмов, описанных в Corripio (2003). Коэффициент 0,02 взят из соотношения разности среднегодовых температур воздуха и пород (Δt) к величине RAD, где Δt = срt_пород = срt_{воздуха} (рис. 3в).

Разница температур получена по фактическим данным о среднегодовой температуре пород для метеостанции Ключи и имеющихся скважин (таблица 1) и среднегодовой температуре воздуха для района скважин, рассчитанной по формуле (1). Радиационный режим всех точек, для которых доступны данные о температурах, оказался схожим, поэтому проведение результирующей прямой было возможным только с привлечением литературных данных. Ежедневные и еженедельные значения приведены для района скважины в Юте (рис. 3б, Bartlet et al., 2006). Ежегодные значения посчитаны автором на основании ЦМР для района имеющихся скважин с замерами среднегодовой температуры пород (рис. 3в). Показан диапазон значений солнечной радиации характерных для района Ключевской группы вулканов, диапазон, в которую попадает 98% территории и значение, характерное для 50% территории. Отметим, что радиационный режим в районе имеющихся скважин, охватывает большую часть диапазона, характерного для района исследований. Итоговый тренд проведён исходя из допущения, что при отсутствии солнечной радиации среднегодовые температуры воздуха и поверхности равны (то есть Δt = 0) (Bartlet et al., 2006). В указанной работе проводили измерения в районе одной скважины (перевал Эмигрантов, Юта, высота 1750 м) в течении 10 лет, в то время как точки полученные автором для Ключевской группы характеризуют разные скважины в течении одного года. В отсутствие другой информации, и учитывая сопоставимость величин радиации, эти данные с точки зрения автора допустимо использовать для калибровочной кривой. Итоговая линейная зависимость для Ключевской группы вулканов характеризует локальные особенности формирования температурного режима, в том числе, и за счёт присутствия сезонного снежного покрова.

Растительный покров дешифрировался на основе анализа грунтово-адаптированного индекса растительности по спутниковым снимкам. Ледники дешифрировались по отношению пятого и третьего каналов (Roth, 1994) с ручной коррекцией для участков, закрытых обломочным чехлом и сезонным снежным покровом. Влияние лесной растительности, как и распространение снежного и ледникового покровов, на температурный режим пород напрямую при моделировании не учитывалось. Для участков распространения лесной растительности среднегодовые температуры пород на карте не указаны, но предполагается, что они здесь положительны, и эти территории входят в зону сезонного промерзания отложений.

Контуры ледников показаны на карте в информационных целях. Так как показанные на карте среднегодовые температуры пород характеризуют верхние 10-15 м отложений, то можно считать, что температурный режим верхней части ледников будет соответствовать таковому в прилегающих массивах пород. Предполагается, что большая часть ледников в данном районе относится к <холодному> типу, и под ними, соответственно, развиты субгляциальные многолетнемерзлые породы.

Мощность ММП оценивалась путём численного моделирования методом конечных элементов. Использовался программный продукт COMSOL Multiphysics (COMSOL AB, Sweden). Были поставлены две задачи. Во-первых, оценить возможные максимальные мощности зоны многолетнего промерзания для основных вулканических построек района работ. В качестве верхних граничных условий задавались рассчитанные при составлении карты среднегодовые температуры грунта, на боковых границах задавалcя нулевой теплопоток. Вертикальные размеры расчётной области составляли 5 км, на нижней границе задавался тепловой поток 60 мВт/м². Для упрощения расчётов принималось, что вся вулканическая постройка сложена базальтом, теплопроводность которого принималась равной 2,5 Вт/м*К, теплоёмкость - 850 Дж/кг и плотность - 2600 кг/м³. Решалась стационарная задача.

Вторая задача состояла в оценке теплового воздействия лавоводов вулкана Ключевская сопка на температурное поле окружающих мёрзлых отложений. В качестве начальных условий использовалось решение стационарной задачи. Воздействие извержения задавалось как одномоментное повышение температуры в зоне лавовода. В зоне лавоводов, шириной 60 метров, расположенной в осевой части вулканической постройки, задавалась начальная температура 1200 ^oС, использовалась осесимметричная модель.