Спросить
Войти
Комплексное изучение ледоминеральных бугров пучения геофизическими методами в долине реки Сенца, республика Бурятия
Котелевец Дмитрий Владиславович
техник-геофизик, ООО "НПЦ Геоскан" 129110, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1
И dmkotelevets@gmail.com
Васильчук Джессика Юрьевна
аспирантка, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, Московский
государственный университет имени МВ.Ломоносова
Статья из рубрики "Грунты холодных регионов"
Аннотация.
Объектом исследования являются ледоминеральные бугры пучения (литальза) в долине р.Сенца в Восточных Саянах (52°39.827& с.ш., 99°29.858& в.д). Цель исследования -изучение внутреннего строения бугров и, в особенности, глубины залегания ледяных ядер. Также были проведены исследования магнитной восприимчивости аллювиальных почв и подбуров для выявления степени интенсивности развития альфегумусового процесса при формировании почв на голоценовых литальза. Дополнительно к исследованиям магнитной восприимчивости было измерено содержание органического углерода и железа в почвах. Электроразведочные работы выполнялись с использованием набора АСТРА-100 (генератор) и МЭРИ-24 (измеритель) использована симметричная четырехэлектродная установка Шлюмберже, Магнитная восприимчивость почвы измерена с помощью портативного измерителя магнитной восприимчивости ПИМВ-М по равномерной сетке с шагом по ширине и глубине шурфа 20 см.Методом бихроматного окисления измерено содержание органического углерода в почвенных горизонтах. Методом 1СР-1^ измерено валовое содержание Fe в почвах.В ходе исследований установлено, что ледяные ядра располагаются на глубинах порядка 4 метров и имеют вертикальную мощность 10 метров. Подтверждено наличие двух отдельных ледяных ядер в самом крупном из изученных бугров. Магнитометрия подтвердила высокую интенсивность альфегумусового процесса в почвах литальза.. 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.
Дата направления в редакцию:
Дата рецензирования:
Работы выполнены при поддержке РНФ грант № 14-27-00083-П и РФФИ грант № 16-0500115
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 ■¿А!&!2! как и у пальза но, в отличие от пальза, в верхней части литальза отсутствует покрывающий его мощный (до 0,5 м)
торфяной горизонт Высота литальза в среднем до 8 м, диаметр варьирует от 50 до
территории России такие бугры впервые описаны в долине р.Аккольи в долине
р.Сенца . 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.
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 °С до -6.6 °С
а температура самого теплого месяца находится между +9 ° С и +11,5 °С. 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
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
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 1СР-1^ измерено валовое содержание Fe в почвах.
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 Вокруг них так же располагается
область, выделяющаяся по повышенному сопротивлению (порядка 10 000 Ом.м),
опираясь на результаты бурения 1121/1121, 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
Рис. 4. Распределение магнитной восприимчивости по стенке разреза аллювиальных почв ^Е-17-5 (А). Графики каппаметрии, содержания органического углерода и содержания железа по глубине в верхних 16 см разреза ^Е-17-5 (Б)
Полученные значения магнитной восприимчивости колеблются в пределах от 4 до 170 * 10Л(-5) ед. Си. Максимальные значения составляющие 170* 10Л(-5) ед. Си и 140* 10л(-5) ед. Си наблюдаются соответственно в разрезах ^Е-17-6 (рис.5) и ^Е-17-2, где были зафиксированы локальные аномалии магнитной восприимчивости, связанные,вероятно, с наличием железистых конкреций в разрезе.
Наибольшей магнитной восприимчивостью в разрезах ^Е-17-3 (рис.6) и ^Е-17-5 обладает верхная часть разреза до 10(15) см, максимальные значения в этих разрезах составляют 85* 10Л(-5) ед. Си и 60* 10л(-5) ед. Си соответственно.
Рис. 5. Распределение магнитной восприимчивости по стенкам разреза подбура ^Е-17-6 (А) и разреза подбура ^Е-17-8 (Б)
Рис. 6. Распределение магнитной восприимчивости по стенкам разрезов подбуров ^Е-17-2 (А) и ^Е-17-3 (Б)
В разрезе подбура (полевой номер ^Е-17-2) на пологом склоне северо-сверезападной экспозиции на бугре пучения значения магнитной восприимчивости находятся в диапазоне от 10* 10Л(-5) ед. Си до 154* 10л(-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* 10Л(-5) ед. Си до 70* 10л(-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* 10Л(-5) ед. Си до 34* 10л(-5) ед. Си, что находится в меньшем диапазоне чем вышележащий горизонт и подтверждает элювиальный характер горизонта, при этом Сорг выше, чем в серогомусовом горизонте и составляет 3,96%.
■ [Т]рк 18-20(26) см - в профиле диагностировал погребенный торфянистый горизонт с включениями углей, сведетельствующий о процессе пирогенеза. Магнитная восприимчивость от 10* 10Л(-5) ед. Си до 22* 10л(-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* 10Л(-5) ед. Си до 165* 10л(-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 А1^е-гумусового процесса. Аномлия пониженных значений магнитной восприимчивости (от 10* 10Л(-5) ед. Си до 50* 10л(-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 ^Е-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* 10Л(-5) ед. Си до 80* 10л(-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* 10Л(-5) ед. Си до 45* 10л(-5) ед. Си . в горизонте встречаются железистые пятна и полосы по корням, содержание органического углерода 1.69%, а валовое содержание железа - 4.89%.
■ С 42-102 - тяжелосуглинистый горизонт материснской породы подстилаемый мерзлым тежелым суглинком на глубине со 102 см. Значения магнитной восприимчивости лежат в диапазоне от 2* 10Л(-5) ед. Си до 50* 10л(-5) ед. Си, содержание органического углерода составляет 3,72, в мерзлой толще 3.74% содержание железа 4.27 и 3.76 с о о тв е тс тв е нно .
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 С, полностью отсутствуя в нижней части.
Рис. 7. Графики содержания органического углерода (в процентах) от глубины.
Разрез аллювиальных почв ^Е-17-5, расположенный на средней пойме р. Сенца имет
структуру близкую к ГСС (горизонтально-слоистая среда). По данным каппаметрии можно в ыде лить три с лоя :
■ 0-11 см, имеющий повышенную магнитную восприимчивость от 20* 10Л(-5) ед. Си до 60* 10л(-5) ед. Си, в который входят следующие горизонты: дернина Av (0-2 см), намывной горизонт С (2-4 см), погребенный подстилочно-торфяный горизонт [О] (4-8 см) и намвной оглеенный горизон Сд (8-11 см). В горизонтах С и Сд наблюдаются мелкие ржавые пятна. Содержание Сорг варьируется 4.92% до 9.84%. Содержание валового желаза варьируется от 2.28% до 5.17%.
■ 11-22 см - погребенный торфяный горизонт [Т] с пониженной магнитной восприимчивостью от 2* 10Л(-5) ед. Си до 20* 10л(-5) ед. Си. Содержание Сорг -28.77%. Содержание валового железа 0.97%.
■ 22-78 см - окисленно-глеевый горизонт материнской породы Сдох, в цветах которого преоблажают охристые ржавые пятна субвертикально вытянутые на сизоватом фоне. Горизонт имеет повышенную относительно вышележащего слоя магнитную восприимчивость от 25* 10Л(-5) ед. Си. Максимальные значиния в этой области достигаются в правой части значения и составляют 52* 10Л(-5) ед. Си. Содержание Сорг - 2.07%. Содержание валового железа 3.87%.
Разрез подбура ^Е-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* 10Л(-5) ед. Си до 37* 10л(-5) ед. Си, значение в линзе достигает 133* 10Л(-5) ед. Си. Фоновое содержание органического углерода - 13.93%, а в линзе - 2.94%
■ ВН 6(28)-17(50), кармановидная граница - иллювиально-гумусовый горизонт. Содержание Сорг - 5.38%. Имеются включения углей. Значения магнитной восприимчивости от 20* 10Л(-5) ед. Си до 60* 10л(-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* 10Л(-5) ед. Си до 80* 10л(-5) ед. Си.
Разрез на бугре ^Е-17-8, располагающийся на бугоре на терассе реки Сенца под разнотравно-злаковой растительностью. В разрезе выделеяются следующие горизонты:
■ О 0-7(10) - подстилочно-торфяный горизонт. Содрежание Сорг - 4.99%. Значения магнитной восприимчивости в данном горизонте от 15* 10Л(-5) ед. Си до 60* 10л(-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* 10Л(-5) ед. Си до 100* 10л(-5) ед. Си.Сорг составляет 2.86%.
■ BH 1О(4О) до 4О в правой части профиля с содержанием ^рг 2.34%. В этом горизонте есть линза погребенного торфа округлой формы диаметров 8 см, на глубине 3О см, появившаяся, вероятно, в результате жизнедеятельности суслика. Значения магнитной восприимчивости от 1О* 1ОЛ(-5) ед. Си до 5О* 1Ол(-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.
Полученные результаты доказали наличие сформировавшихся ледяных ядер удельное электрическое сопротивление которых находится в пределах от 18 ООО Ом^м до 3О ООО Ом^м, что контрастно выделяется на фоне вмещающих пород. Вмещающие породы представлены преимущественно суглинкам, имеющими удельные сопротивления 8О-3ОО 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 1О 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.
Библиография
