УДК 550.837.76
ИЗУЧЕНИЕ МНОГОЛЕТНЕГО ЛЬДА ПРИ ПОМОЩИ ГЕОРАДАРА И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ПРИМЕРЕ ПЕЩЕРЫ МЕДЕО (СЕВЕРНЫЙ УРАЛ)
Ю. И. Степанов, кандидат геолого-минералогических наук, ученый секретарь, stepanov@mi-perm.ru, А. А. Тайницкий, аспирант, tainickiy@mail.ru,
А. В. Кичигин, аспирант, инженер, О. И. Кадебская, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, icecave@bk.ru,
Горный институт Уральского отделения Российской академии наук
В данной работе рассмотрены результаты GPR исследований в пещере Медео. Пещера находится на территории Средневишерского района карбонатного карста Западно-Уральской складчатой зоны. Целью исследования было изучение мощности и однородности многолетних ледяных образований. По результатам работ впервые определена мощность многолетней наледи и построена трехмерная модель отложений.
In this paper the GPR studies in the remote cave Medeo are carried out. The cave is located in the territory of the Srednevishersk District of the carbon-bearing karst in the West Ural folded zone. The aim of the study is to examine the capacity and homogeneity of perennial ice formations. According to the results, for the first time the capacity of the multi-year ice is defined and three-dimensional model of sediments is built.
Ключевые слова: георадар (GPR), мощность льда, пещеры, Урал, криогенные минералы.
Keywords: georadar (GPR), ice capacity, cave, the Urals, cryogenic minerals.
Пещеры и отложения, формирующиеся и накапливающиеся в них, являются отражением многих процессов на поверхности земли. Среди многообразия полостей, выделяются пещеры, где их отложения чутко реагируют на изменения климата. К таким пещерам относятся в первую очередь пещеры с ледяными отложениями. Изменения климата «записываются» в морфологии подземных наледей, поэтому их изучение дает возможность проследить изменения на протяжении длительных периодов (в некоторых случаях до нескольких тысяч лет).
Информация о геометрии многолетних льдов в пещерах Урала в большинстве случаев ограничивается подсчетом площади поверхности. Исключением является только Кунгурская Ледяная пещера [1]. За рубежом также имеется опыт применения георадара для определения мощности льда в пещерах Добшинской (Словакия) [2] и Дах-штайн (Австрия) [3].
Целью данных исследований было определение геометрических характеристик многолетней наледи в п. Медео и возможности изучения однородности ледяного массива при помощи георадарных исследований. В дальнейшем, выявление условий формирования криогенных минералов и возможности их использования в качестве климатических маркеров при помощи минералогических исследований.
Общие сведения. Пещера Медео (или Бадьинская Ледяная) расположена в западной части камня Пехач на правом берегу р. Березовой, в месте впадения в нее р. Бадьи (Пермский край). Вход (высота 3 м и ширина 7 м) расположен на высоте 30 м над уровнем реки. Пещера состоит из двух гротов размерами 25 х 16 м и 17 х 13 м. Общая длина подземных ходов 60 м. Пол гротов покрыт слоем многолетнего льда общей площадью 600 м2.
Методика исследований включала георадиолокационную съемку в холодный период (март 2010 г.), минералогические исследования выявленных минеральных прослоев, а также общую рекогносцировку, фотодокументацию поверхности наледи. проведенную в холодный (март 2011 г.) и теплый (август 2011 г.) периоды. Для наблюдения за динамикой мощности ледяного массива были установлены реперы.
Рис. 1. Схема профилей в пещере Медео
Принцип действия аппаратуры радиолокационного зондирования (в общепринятой терминологии — георадара) основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства [4].
Изучение мощности льда и границы лед — подстилающая порода является одним из наиболее благоприятных вариантов георадарных исследований с точки зрения физических предпосылок, а именно: высокое удельное электрическое сопротивление (УЭС) и низкая диэлектрическая проницаемость. Георадиолокационные исследования проводились аппаратурой «ОКО-М1», антеннами АБ-250 с центральной частотой 250 МГц и АБ-1700 с центральной частотой 1700 МГц, по системе профилей (рис. 1), пространственное расположение которых в большей степени было предопределено геометрией пещеры и доступностью участков для исследования. Общая протяженность профилей составила 167,5 м.
Для определения химического состава льда с помощью ледобура была отобрана проба от поверхности до глубины 1 м. Минеральная составляющая отбиралась как с поверхности наледи, после периода зимнего испарения, так и отфильтровывалась из оттаявшего льда, объем которого составлял 3 дм3. Исследование морфологии и химического состава проводилось на сканирующем электронном микроскопе VEGA 3 LMH с системой рентгеновского энер-
годисперсионного микроанализа INCA Energy 350/X-max 20 в Горном институте УрО РАН (аналитики Е. П. Чиркова, О. В. Коротченкова).
Изотопный анализ углерода и кислорода вмещающего известняка и муки были выполнены в Институте геологии КНЦ УрО РАН на масс-спектрометрах МИ-1309 (аналитик М. А. Кудинова). Значения рассчитаны в промилле относительно стандартов PDB для 8 С и 8 18О.
Результаты исследований. Георадиолокационные исследования. Были получены рада-рограммы, пример одной из них приведен на рис. 2, а. Полученные материалы характеризуются хорошим качеством (в частности отсутствием видимых волн — помех), поэтому процесс обработки был сведен лишь к процедуре автоматической регулировки усиления (АРУ) и удалению прямой волны (вычитанию среднего).
В результате на радарограмме сформировались две явных области с различной волновой картиной:
1. Область упорядоченной записи, с прослеживаемыми горизонтальными осями син-фазности, осложненными дифрагированными волнами от мелких включений во льду либо других неоднородностей. Горизонтальные оси синфазности возможно обусловлены цикличностью развития ледника, в промежутках между циклами поверхность льда покрывается тонким слоем мелкодисперсных отложений продуктов разрушения известняков.
2. Область с повышенными значениями амплитуд сигнала, но без продолжительных осей синфазности. Такая волновая картина может свидетельствовать о сложном и неоднородном строении подстилающей толщи и отождествлена со слоем сильно разрушенных пород. При количественной интерпретации разреза возникла проблема неоднозначности проведения границы лед — порода, поэтому было выполнено преобразование Гильберта (рис. 2, б), в результате которого был выделен еще один слой между льдом и породой, предположительно отнесенный к подледным, обломочным «моренным» отложениям.
Таким образом, в результате обработки было выделено 3 слоя (рис. 3, б).
Для пересчета временного разреза в глубинный были приняты следующие параметры среды:
1. Лед s* = 3,5 (определено по годографам рефрагированных волн на радарограмме).
Рис. 2. Пример обработки радарограммы: а) после удаления прямой волны; б) после обработки с преобразованием Гильберта: 1 — лед, 2 — подледные «моренные» отложения, 3 — коренные породы
2. Карбонатные породы е* = 4—7 (принята величина 4,5).
3. Подледный «моренный» слой, величина его диэлектрической проницаемости принята среднеарифметической между верхним и нижним слоем е* = 4,0.
По данным рассчитанных глубин были построены карты мощностей льда и подледных «моренных» отложений (рис. 3); объемная модель многолетней наледи (рис. 4) и рассчитаны приблизительные объемы первого и второго слоев в пределах изученного участка тремя методами (трапеций, Симпсона и 3/8 Сим-псона).
Среднее значение объема многолетнего льда
о
равно 939 мо. Наибольшая мощность льда со-
ставила 4,5 м в ближайшей ко входу части пещеры. Далее вглубь пещеры мощность льда постепенно уменьшается и в дальней части составляет 0,5 м.
Дополнительное использование реперов показало, что прирост льда с 29 марта по 11 августа в средней части пещеры составил 82— 101 мм. Было прослежено, что летом попадающая на поверхность вода стекает сначала в виде отдельных струй, врезающихся в наледь, которые постепенно сменяются зоной плоскостного течения, характеризующейся наличием гур, ориентированных перпендикулярно потоку, сложенных мелкозернистыми агрегатами льда (шуги). В более удаленной части (в 30 м от входа) на поверхности льда фиксируется
Рис. 5. Ячеистое распределение криогенной карбонатной муки, оставшейся после зимнего испарения льда (март 2011 г.), и полигональная структура вновь образованного слоя (август 2011 г.)
полигональная структура, обусловленная ги-ганто-кристаллическим (5—20 см) строением.
При замерзании привнесенных водных растворов на поверхности наледи происходит отложение карбонатного (и в подчиненном количестве сульфатного) материала в виде тонкодисперсного (менее 150 мкм) материала — криогенной «муки», свидетельствующей о быстрой (шоковой) кристаллизации. В весеннее время года прослой криогенного карбонатного материала, оставшегося после зимнего испарения льда, вновь покрывается новой порцией воды, поступившей в пещеру во время снеготаяния (рис. 5).
Использование георадарной антенны с центральной частотой 1700 МГц позволило проследить этот минеральный прослой в ледяной толще. При помощи ледобура из ледяного массива была отобрана проба и проведен сравнительный анализ весенней поверхностной пробы и пробы из ледяного массива.
Минералогические исследования. Химический анализ льда, выполненный в лаборатории ГГР ГИ УрО РАН (аналитик Быкова Н. В.), показал его низкую минерализацию
о
(57,92 мг/дм ) и принадлежность к гидрокарбонатному калиево-натриевому типу (таблица).
Таким образом, многолетний лед имеет пресный состав и формируется из талой воды, поступающей в весеннее время через вход пещеры.
Анализ морфологии более 200 тонкодисперсных частиц с поверхности наледи и из ледяного массива показал, что они представлены собственными кристаллами кальцита и каль-цитовыми агрегатами по икаиту. Существенное преобладание икаита (рис. 6) н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.