научная статья по теме ТОЛЩИНА ЛЬДА И ПОДЛЁДНЫЙ РЕЛЬЕФ ЗАПАДНОГО ЛЕДНИКОВОГО ПЛАТО ЭЛЬБРУСА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ТОЛЩИНА ЛЬДА И ПОДЛЁДНЫЙ РЕЛЬЕФ ЗАПАДНОГО ЛЕДНИКОВОГО ПЛАТО ЭЛЬБРУСА»

УДК 551.324.3

Толщина льда и подлёдный рельеф Западного ледникового плато Эльбруса

© 2010 г. И.И. Лаврентьев, В.Н. Михаленко, С.С. Кутузов

Институт географии РАН, Москва ilavrentiev@gmail.com

Статья принята к печати 14 декабря 2009 г.

Глубокое керновое бурение, радиозондирование, рельеф ложа, толщина льда, Эльбрус.

Bedrock topography, deep ice core drilling, Elbrus, ice thickness, radio-echo sounding.

По данным площадных наземных радиолокационных съёмок 2005 и 2007 гг. составлены карты толщины льда и рельефа подлёдного ложа Западного ледникового плато Эльбруса. Процедура двумерной Stolt FK-миграции и зависимость скорости распространения радиоволн от плотности и температуры фирново-ледяной толщи по данным глубокого кернового бурения, завершённого в сентябре 2009 г., использовались для трансформации радарных данных в профили толщины льда. Максимальная толщина льда (255 ± 8 м) отмечается в северо-восточной части плато при средних её значениях 160 м. Плоская поверхность плато и рельеф ложа, характерный для вершинных участков вулканических образований, позволяют сделать вывод, что ледник плато, вероятно, перекрывает древний кратер вулкана.

Введение

Ледники Эльбруса — высочайшего в России и Европе вулкана — привлекли внимание исследователей ещё в середине XIX в. Первые работы были посвящены изучению моренных комплексов и картографированию фронтальных частей ледников, а последующие комплексные исследования оледенения в период МГГ в 1957-1959 гг. [13] и в 1960-х годах [1, 2, 14] составили основу современных представлений о самом большом массиве оледенения Кавказа. Впервые измерения толщины льда здесь выполнены Эльбрусской экспедицией АН СССР 1934-1938 гг. Методом электрозондирования на леднике Гарабаши, на участке между Приютом Одиннадцати и скалами Пастухова, была определена толщина льда, равная 40 м [11]. Через 20 лет, в 1958 г., на леднике Гарабаши впервые была определена толщина льда методом сейсмозондирования. Однако полученные результаты оказались неудовлетворительными из-за несовершенства аппаратуры и неотработанности методики измерений в таких средах, как фирн и лёд [3].

В 1967 г. В.И. Кравцовой была составлена карта мощности льда ледников Эльбруса [7] на основе имевшихся на тот момент результатов прямых измерений, косвенных признаков и расчётных методов. Правда, сам автор указывает на гипотетичность карты, в первую очередь, из-за недостатка данных прямых наблюдений, которые были проведены на южном склоне Эльбруса только в конце 1980-х годов.

В 1987-1989 гг. во время экспедиций Института географии АН СССР были пробурены три скважины до ложа в области питания ледника Гарабаши [6] и

выполнены первые радиолокационные измерения толщины льда [15]. Для радиозондирования использовался портативный импульсный локатор ТГУ дециметрового диапазона (700 МГц), предназначенный для зондирования в пеших маршрутах труднодоступных горных ледников толщиной до 300 м. Измерения вели по нескольким профилям на ледниках Гарабаши, Малый и Большой Азау в интервале высот 3000-5600 м. Профили измерений пройдены на обеих вершинах вулкана, а также в седловине и на продольном профиле вдоль тропы подъёма на Эльбрус. Максимальная измеренная толщина льда (в области питания ледника Малый Азау на высоте 4800 м) составила 193 м.

Исследования привершинной области Эльбруса были продолжены в 2004-2009 гг. экспедициями Института географии РАН. В качестве объекта изучения выбрано Западное ледниковое плато Эльбруса, расположенное к западу от западной вершины Эльбруса в интервале высот 5080-5150 м. Плато представляет собой область аккумуляции ледников Кюкюртлю и Большой Азау, отделённую от них ледопадом высотой более 500 м. В плане плато - это плоский участок ледникового комплекса Эльбруса площадью около 0,5 км2, ограниченный с севера и юго-востока лавовыми гребнями, а с востока -почти отвесной стеной западной вершины вулкана. С запада плато открыто для влагонесущих воздушных масс и получает осадки из свободной атмосферы, которые выпадают круглый год в виде снега. За три года исследований здесь выполнена серия гляциологических и радиолокационных исследований, которая позволила выяснить особенности осадкона-копления и строения верхних 20 м снежно-фирновой

толщи ледника, а также определить толщину льда на плато.

Как показал анализ 21,4-метрового керна, полученного в 2004 г., средняя величина аккумуляции здесь составляет 1,7 м в.э. Данные о строении снежно-фирновой толщи и распределении температуры в скважине указывают на присутствие рекристаллизационной зоны льдообразования выше 5100 м. Результаты первого этапа радиозондирования в 2005 г. свидетельствуют о значительной толщине льда на плато и воронкообразной форме подстилающего ложа [12]. Цель настоящей статьи — уточнить и дополнить полученные ранее данные о толщине льда и рельефе коренного ложа на основе результатов радиозондирования 2007 г. и глубокого кернового бурения, проведённого на плато в августе—сентябре 2009 г.

Радиолокационное зондирование

В последнее время для определения толщины льда и изучения особенностей внутреннего строения ледников применяют методы радиолокационного зондирования с использованием специальных радаров, которые позволяют вести измерения как с воздушного и наземного транспорта, так и в пеших маршрутах в труднодоступных горных районах. По данным наземного радиозондирования толщина ледника Z определяется по времени запаздывания сигналов т, отражённых от ложа, относительно начала излученного (зондирующего) импульса:

Z= сл т/2,

где сл = с/^Г — средняя скорость распространения радиоволн в леднике, с = 300 м/мкс — скорость распространения радиоволн в воздухе, е' — относительная диэлектрическая проницаемость ледникового льда, зависящая главным образом от его плотности р и содержания воды W [9]. Для «холодного» льда сл = 167 ^ 169 м/мкс, для «тёплого» льда величина сл может изменяться в более широких пределах — от 147 до 165 м/мкс. Отсюда следует, что точность измерений толщины ледников во многом зависит от точности определения сл.

Аппаратура для радиозондирования. В исследованиях были задействованы радиолокаторы с системой цифровой регистрации радарных и навигационных данных, разработанные в НПО «Академприбор» Национальной академии наук Узбекистана при участии Мадридского политехнического университета (Испания), Института низких температур Университета Хоккайдо (Япония) и Института географии РАН. В 2005 г. для радиозондирования применялся моноимпульсный локатор ВИРЛ-2 с центральной частотой 20 МГц с системой синхронизации передающего и приёмного устройств по

радиоканалу [4, 5], а в 2007 г. — его усовершенствованная модификация — локатор ВИРЛ-6 с системой синхронизации по оптическому каналу (оптоволоконному кабелю) [10].

Локаторы ВИРЛ — двухпозиционные и состоят из передающего и приёмно-регистрирующего устройств. Последнее содержит приёмник, систему цифровой регистрации и индикации (СЦРИ) и GPS. Локаторы могут работать в автоматическом режиме, обеспечивая регистрацию радарных и навигационных данных с интервалом от 0,1 до 99 с. Важная особенность этих локаторов состоит том, что, в отличие от других конструкций, в полевых измерениях не нужно использовать компьютер; он необходим только в камеральных условиях для загрузки и последующей обработки данных.

Приёмная и передающая антенны радиолокатора ВИРЛ представляют собой резистивно-нагруженные диполи длиной по 5,6 м, конструктивно выполненные в виде лёгкого экранированного кабеля. Небольшая масса аппаратуры — менее 10 кг, включая два 12-вольтовых аккумулятора, и небольшие габариты отдельных блоков локатора позволяют монтировать его на двух рюкзаках и использовать для пеших маршрутных измерений в сложных условиях высокогорья (рис. 1).

Полевые измерения толщины льда проводились на Западном плато Эльбруса в июле 2005 и июле 2007 гг. Передающее и приёмно-регистрирующее устройства локаторов монтировались на двух каркасных рюкзаках и переносились группой из трёх человек по заранее намеченным профилям, покрывающим максимально возможную доступную часть ледникового плато (см. рис. 1). За время радиолокационных работ пройдено 6,5 км профилей на всей поверхности ледника (2,5 км в 2005 г. и 4 км в 2007 г.) (рис. 2). Измерения проводились в режиме автоматической регистрации данных с интервалом 1 с, что позволило получить более 10 000 точек вдоль указанных профилей. Географическая привязка последних велась при помощи GPS-приёмника Garmin GPS II Plus синхронно с радиозондированием.

Обработка и интерпретация радиолокационных данных. Для визуализации и обработки радиолокационных данных использовался пакет программ RadexPro Plus производства «GDS Production» [8], разработанный специально для интерпретации цифровых сейсмических и радиолокационных данных с помощью персональных компьютеров. Пакет программ содержит систему модулей, которые служат для ввода исходных радарных данных, их оптимальной визуализации, геопривязки и последующей количественной обработки отражённых сигналов. Эти характеристики используются для вычислений толщины льда и других параметров ледников на заключительном этапе.

Рис. 1. Измерение толщины льда на плато радиолокатором ВИРЛ-6 в 2007 г.

Fig. 1. Ice thickness measurements using VIRL-6 radar in 2007

Обработка радарных данных 2005 и 2007 гг. предусматривала введение амплитудной коррекции, полосовую фильтрацию и двумерную Stolt F-K миграцию. Указанные процедуры позволили получить чёткие радарограммы с видимыми отражениями от ложа (рис. 3).

Скорость распространения радиоволн. Для пересчёта измеренных значений времени запаздывания отражённых от ложа сигналов радиолокатора в толщину льда мы использовали средние значения скорости распространения радиоволн V в фирново-ледяной толще плато, представляющие собой функции плотности и температуры льда, которые, в свою очередь, изменяются в зависимости от глубины ледника. Прямых измерений скорости распространения радиоволн не проводилось, однако, благодаря первым результатам глубокого кернового бурения, выполненного здесь в августе—сентябре 2009 г., появилась возможност

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.

Показать целиком