Режимные геокриологические наблюдения на высокогорных перевалах Тянь-Шаня

Введение

Состояние многолетнемерзлых пород является чутким индикатором происходящего в настоящее время изменения климатической обстановки. Это в полной мере относится к районам распространения высокогорной мерзлоты, где нарушение экологического равновесия и таяние мерзлых пород в сумме с тектонической опасностью может привести к развитию опасных и даже катастрофических геологических процессов ^{[12, 13, 20, 22, 23]}. К таковым относятся сели, прорывы ледниковых горных озер, оползни, термоэрозия, термокарст ^{[15, 16, 19]}. Не смотря на очевидную актуальность проведения геокриологических исследований в горах, до сих пор они носят скорее эпизодический, нежели регулярный характер. Зачастую, из-за трудностей и отсутствия прямых наблюдений за динамикой состояния высокогорной мерзлоты, можно ориентироваться только на результаты компьютерного геоинформационного моделирования ^{[11, 21]}. Ни одно моделирование процессов, происходящих в природной среде, не является достоверным без проведения соответствующих режимных полевых наблюдений. Результаты таких работ позволяют составить более точные прогнозы и построить конкретные модели с реальными натурными входными параметрами. Поэтому создание площадок, на которых будет организован мониторинг состояния мёрзлых пород, весьма актуально.

Освоение районов распространения высокогорной мерзлоты включает решения сложнейших инженерно-технических задач при прокладке транспортных магистралей, возведении различных сооружений, добыче полезных ископаемых и т. д.. Поэтому знание тенденций формирования и деградации мерзлых толщ, в том числе и прогнозирование изменений природной обстановки при сооружении и эксплуатации объектов на участках с многолетнемерзлыми грунтами, является важной и необходимой составляющей. В связи с этим, важнейшими задачами в этой области исследований являются, кроме мониторинга и прогноза изменений геокриологических условий в регионе, разработка экономических и политических стратегий адаптации к предстоящим изменениям природной среды и по предотвращению экстремальных экологических ситуаций.

В настоящей статье приводятся результаты режимных геокриологических наблюдений на организованных авторами стационарных площадках высокогорных перевалов Северного и Юго-Западного Тянь-Шаня. Они включают в себя новый комплекс геофизических методов, позволяющий дать оценку динамики состояния криолитозоны исследуемых участков.

Целью данной публикации является оценка геокриологических условий мерзлых пород районов Северного и Юго-Западного Тянь-Шаня по данным режимных наблюдений.

Методы исследования

Авторами в 2015 году был разработан проект, одобренный грантом РФФИ, «Криолитозона Тянь-Шаня и тенденции ее изменения», который успешно завершился в 2019 году. В рамках этого проекта нами было организовано проведение режимных наблюдений на стационарных площадках за состоянием и динамикой развития мерзлых пород. Участки наблюдений расположены в пределах одной горной системы и на одном гипсометрическом уровне, но – на разных широтах: в Юго-Западном Тянь-Шане (перевал Анзоб, Таджикистан) и Северном Тянь-Шане (перевалы

Жусалы-Кезень, Озерный, Туюк-Су, Казахстан). Такое расположение пунктов наблюдения, после обработки результатов всех работ, заявленных в Гранте РФФИ, дало возможность показать достаточно полную картину геокриологических условий Тянь-Шаня.

В соответствии с задачами, поставленными в проекте, был использован комплекс методов геокриологических и геофизических исследований, включающий в себя бурение инженерно-геокриологических скважин с отбором образцов и определением строения и состава грунтов, обустройство скважин косами с датчиками температуры, проведение геофизического профилирования с построением геоэлектрических разрезов.

Для того, чтобы охарактеризовать геокриологические условия районов работ нами был проведен комплекс площадных рекогносцировочных наблюдений, которые позволили дать ландшафтную характеристику районов и выявить развитые криогенные процессы и явления. На ключевых участках выполнены шурфовочные работы с описанием разреза и отбором проб для определения физических характеристик грунтов.

Для изучения состава, влажности, криогенной текстуры пород были пробурены инженерно-геокриологические скважины и отобраны образцы. Буровые работы проводились буровой установкой УКБ 12-25. Пробуренные скважины обустраивались косами с датчиками измерения температуры (Geo Precision, Germany). Изучение температурного режима пород – одна из основных задач мониторинга. Такие наблюдения позволяют решать вопросы, связанные с изучением закономерностей формирования и динамики температурных полей в природно-технических системах, многолетней динамики температуры в естественных условиях и при функционировании геотехнических систем. Для регистрации температурных полей грунтов нами были использованы самые современные датчики как российского, так и немецкого производства, позволяющие регистрировать температуру с точностью до 0,01 ˚С. Запись данных с помощью логгеров проводилась в течении всего периода наблюдений с частотой один раз в сутки, что позволило проследить изменение температуры грунтов по глубине, определить среднегодовую температуру грунтов и получить данные по мощности слоя сезонного промерзания-протаивания. Рассмотренные методы относятся к группе прямых наблюдений.

Одними из основных полевых методов исследования строения мерзлых пород в высокогорных регионах являются геофизические. Предлагаемое нами комплексирование геофизических методов (метод ВЭЗ и ЗСБ) - наиболее информативный подход, в условиях высокогорной криолитозоны. При интерпретации данных мы можем сравнить параметры удельного электрического сопротивления и поляризуемости пород, что, несомненно, является преимуществом данных методов для изучения мёрзлых пород, поскольку именно эти характеристики заметно меняются при фазовых переходах (воды в лёд и льда в воду). Применение традиционных для равнинных территорий геофизических методов определения удельного электрического сопротивления грунтов с помощью источников постоянного электрического тока (ВЭЗ), имеет в горах значительные ограничения, поскольку при проведении зондирований в большинстве случаев мы получаем сложный для однозначной интерпретации геоэлектрический разрез, включающий в себя чередование «высокоомных» и «низкоомных» слоев. Поэтому для работы в горах при изучении глубинной части разреза нами в основном были использованы методы электромагнитного зондирования на переменном токе, которые в наших условиях имеют гораздо меньшие ограничения и позволяют дать полную картину геологического разреза.

Технологии переменного тока - метод зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) отличается от других индуктивных методов, прежде всего, тем, что в этом методе изучается неустановившееся электромагнитное поле (становление поля), и сведения о геоэлектрическом разрезе исследуемой площади получаются на основе изучения характера переходного процесса в различных пунктах наблюдения ^[6]. Этот метод является оригинальным для изучения строения мерзлых грунтов в горах. Метод ЗСБ позволяет построить более детальный разрез и определить под слоями грунтов, обладающими низкими показателями электропроводности (мерзлые грунты), наличие электропроводящих горизонтов. Это позволяет определять мощность мерзлых грунтов и отличить их в разрезе от скальных оснований. Метод зондирования становлением поля в ближней зоне основан на возбуждении первичного электромагнитного поля в генераторной антенне и измерении вторичных электромагнитных полей в приемной антенне. Вторичное электромагнитное поле несет информацию о геологической среде, на которой лежит измерительная антенна.

Работы методом ЗСБ выполнялись аппаратным комплексом «TEM-FAST» (AEMR, Ltd., Нидерланды). Комплект аппаратуры состоит из генератора прямоугольных импульсов тока и совмещенного и синхронизированного с ним измерителя. Комплект аппаратуры состоит из генератора прямоугольных импульсов тока и совмещенного и синхронизированного с ним измерителя. В качестве излучающей и приемной антенны использовались квадратные петли медного провода (25х25 м, 50х50 м, 100х100 м). В начальный момент времени (на ранних временах измерения после переключения тока в питающей петле), вторичные токи распределяются в приповерхностной части разреза. Затем, с течением времени, токи начинают проникать в более глубокие слои, затухая с удалением от источника ^{[9, 17]}. Аппаратура «TEM-FAST» позволяет использовать совмещенную петлю – измерения спада электромагнитного поля производятся в генераторной петле после выключения импульса тока. На этой основе наши геокриологические исследования позволили выявить общие закономерности в распространении и изменении мощности мерзлых пород до глубин порядка 200 м.

На этапе обработки выполнялась сортировка кривых кажущегося сопротивления, отбраковка, анализ достоверности кривых и создание синтетических кривых ЗСБ путем объединения высокочастотных ветвей кривых ЗСБ полученных на малых токах (1А) с низкочастотными частями кривых, полученных на высоких токах (4А). При интерпретации данных ЗСБ используется программный комплекс «TEM-RESERCHER». Так как кривая кажущегося сопротивления только качественно отражает геоэлектрическое строение массива, в рамках интерпретации необходимо проводить моделирование той среды, которая способна создать то электромагнитное поле, которое было измерено во время полевых работ. Таким образом, интерпретация заключалась в 1D инверсии кривых кажущегося сопротивления в

геоэлектрические разрезы, происходило сопоставление литологических и инженерно-геологических элементов с параметром удельного электрического сопротивления среды. Подбор геоэлектрической модели производится путем многократного решения прямой задачи геофизики при изменении параметров разреза (мощность и удельное электрическое сопротивление слоев) до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное соответствие модельной кривой и кривой, полученной при полевых работах ^[9].

Одномерные геоэлектрические модели позволяют получить распределение удельного электрического сопротивления пород по глубине. При геологической интерпретации геофизических данных используется информация об электрическом сопротивлении различных пород.

Результаты и их обсуждение

В 2013 году на перевале Анзоб (Юго-Западный Тянь-Шань, Гиссарский хребет) были пробурены первые скважины, изучены характеристики грунтов, проведены геофизические исследования, начаты стационарные наблюдения за температурой грунтов в скважинах, организованы наблюдения за сейсмическими событиями. Площадка расположена на высоте 3372 м в 70 км севернее г. Душанбе, где вдоль реки Варзоб проходит важная транспортная артерия Республики Таджикистан – автодорога автодорога «Душанбе – Ходжент», связывающая в летний период север республики с ее южными районами через перевал Анзоб. Следует отметить, что в этом районе систематических режимных геокриологических наблюдений до этого времени не проводилось.

Приведем краткую характеристику района работ. Территория относится к области с континентальным типом субтропического климата с обилием солнечного тепла, значительными суточными и годовыми колебаниями температур воздуха и почвы ^{[1, 3]}. По данным расположенной здесь метеостанции, среднегодовая температура воздуха составляет здесь -2,0 ˚С при этом отрицательные среднемесячные температуры воздуха держатся в течение 7 месяцев. Температура поверхности почвы может достигать -30 ˚С. Все это говорит возможности здесь достаточно глубокого промерзания грунтов. По данным термометрических наблюдений в скважине на склоне южной экспозиции, установлено, что глубина сезонного промерзания, в сезон 2013-2014 гг., составила около 1,3 м, а в 2017-2018 году – 1,4 м. Столь небольшая мощность сезонно-мерзлого слоя объясняется отепляющим влиянием значительного снежного покрова, характерного для Гиссарского хребта. Несмотря на то, что многолетнемерзлых пород нами на перевале Анзоб на данном этапе исследований отмечено не было, их наличие, исходя из метеорологических наблюдений, вполне допустимо на склонах северной экспозиции. По результатам изучения в шурфах нами выявлено, что верхние горизонты сложены карбонатными брекчиями, крупными обломками магматических пород с мелкодисперсным заполнителем, перекрытыми слоем тонкодисперсного грунта, который, как показало изучение гранулометрического состава, сложен тяжелыми пылеватыми суглинками.

По данным метода вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) на перевале Анзоб была получена информация о положении кровли высокоомного слоя, о распределении удельного электрического сопротивления и поляризации верхней части разреза (рис. 1). Геофизический профиль 1 – 7 проходил по склону северной экспозиции. На разрезе можно выделить 4 слоя. Наибольший интерес представляет наличие в верхней части геоэлектрического разреза высокоомного слоя, который, с определенными оговорками можно связать с наличием мерзлых пород, т.к. нами было отмечено явление поляризуемости составляющее 10 – 12 %, что свойственно породам содержащим лед в разных частях разреза. Поскольку работы проводились в сентябре 2017 года, можно предположить, что это перелеток. Данный слой находится на глубине 1 – 3 м и его мощность постепенно уменьшается к тальвегу от 1 до 0,2 м. По результатам шурфовочных работ установлено, что верхняя часть разреза сложена суглинками, а нижняя представляет собой зону грубообломочных пород с песчанистым заполнителем.

а)

б)

Рис. 1. Геофизический профиль и геоэлектрический разрез на перевале Анзоб: а) точки 1-7 ВЭЗ и линия геофизического профиля на снимке Google Earth; б) геоэлектрический разрез по профилю 1-7, полученный в прогамме IPI2Win

Проведенные нами методом ЗСБ геофизические исследования на территории, прилегающей к перевалу Анзоб, в 2015 году позволили построить геоэлектрический разрез (рис. 2). На нём хорошо выделяются суглинки мощностью до 3 м, зона грубообломочных пород с песчанистым заполнителем, скальных пород и зоны тектонических нарушений.

а)

б)

Рис. 2. Геоэлектрический профиль по линии А-Б на перевале Анзоб (ЗСБ): а) геофизический профиль 1-7 (метод ВЭЗ) и линия геофизического профиля А-Б (метод ЗСБ) на снимке Google Earth; б) геоэлектрический разрез по линии А-Б на перевале Анзоб

В 2015 году авторами были организованы аналогичные наблюдения на Северном Тянь-Шане, в районе г. Алматы, на перевале Жусалы-Кезень (Иле Алатау). А с 2016 года выполняются работы на перевале Озёрный и на оз. Маншук Маметовой.

По данным метеостанции, расположенной на перевале Жусалы-Кезень, среднегодовая температура воздуха здесь за 2015 год составила -1,74 ˚С, а в 2016 повысилась на 0,24 ˚С. При этом отрицательные среднемесячные температуры воздуха, как и на перевале Анзоб, держатся в течение 7 месяцев. Температура поверхности почвы может опускаться ниже -33 ˚С в зимнее время года, а летом земная поверхность прогревается до 42 ˚С. За счет интенсивной ветровой деятельности образуется неоднородный снежный покров, высота и плотность которого значительно изменяются в зависимости от экспозиции и рельефа поверхности склонов.

В тектоническом плане район перевала представляет собой зону дробления двух смыкающихся активных тектонических разломов субширотного простирания. В геоморфологическом плане район перевала Жосалы-Кезень отличается от перевала Анзоб преобладанием скальных и моренных форм с большим количеством склоновых отложений. Для этого района характерно формирование каменных глетчеров, находящихся как в активной фазе развития, так и в стадии консервации.

Геологический профиль района представляет собой сочетание трещиноватых гранитов и склоновых крупнообломочных отложений, а также моренных образований, представляющих собой скальные фрагменты разного размера и окатанности с песчанисто-суглинистым заполнителем. Одна из наших скважин, на склоне северной экспозиции, пройдена по таким отложениям. Кроме того, активные тектонические и склоновые процессы формируют отложения, сложенные дислоцированными скальными образованиями с глинистым наполнителем в пластичном или текучем состоянии.

С 2015 года на перевале Жусалы-Кезень нами также ведутся режимные наблюдения за температурой пород ^[8]. Установлено, что за 2017 год глубина сезонного промерзания на склоне южной экспозиции составила 1,2 м, а среднегодовая температура пород +2,5 °С. Глубина сезонного слоя сильно уменьшилась, по сравнению с 2016 годом, когда она составляла 4,3 м. Анализ хода температур воздуха и количества осадков показал сходимость данных текущего и предыдущего годов, климатических воздействий не было. Режимные температурные наблюдения в скважине на склоне северной экспозиции показали, что мощность сезонно талого слоя составляет 3,7 м, что соответствует значениям 2016 года, что говорит о достаточно большой величине сезонно талого слоя и при неполном его промерзании возможном появлении несливающейся мерзлоты. Среднегодовая температура пород составила -0,7 °С.

На перевале Жусалы-Кезень геофизические работы проводились методом ЗСБ. Геоэлектрический профиль проходил от скважины на склоне северной экспозиции через тальвег до скважины на склоне южной экспозиции (рис. 3). В качестве излучающей и приемной антенны использовались квадратные петли медного провода (100*100 м). Верхний слой разреза характеризуется низким удельным сопротивлением – 500 – 850 Ом·м, и имеет мощность 5 – 10 м (рис. 4). Он представлен талыми крупнообломочными склоновыми отложениями с супесчаным заполнителем ^[14]. В 2017 году граница мерзлоты в районе тальвега сместилась вниз. Второй слой с довольно низким сопротивлением 200 – 510 Ом·м мощностью 15 – 40 м, представленный крупнообломочными породами с супесчано-суглинистым заполнителем, был интерпретирован как мерзлый, что подтвердилось данными термометрии и довольно высокой поляризуемостью пород (η=10 %), что указывает на наличие льда в этой части разреза. В данном случае речь идет о «высокотемпературной» мерзлоте. Значения удельного сопротивления довольно низкие, так как в породе вероятно, наряду со льдом, содержится вода. Ниже по разрезу прослеживается высокоомная зона скальных пород. На склоне южной экспозиции мерзлые породы отсутствуют, что также подтверждается данными термометрии.

Рис. 3. Линия геофизического профиля А-Б и точки ЗСБ (перевал Жусалы-Кезень) на снимке Google Earthe

а)

б)

Рис. 4. Геоэлектрический разрезы по линии геофизического профиля А-Б за 2017 (а) и 2016 (б) годы; η = 10 – поляризуемость, %

Работы были продолжены на перевале Озерный (3507 м) (рис. 5). Геофизический профиль проходил по водоразделу, где нами были отмечены структурные грунты с грунтовыми жилами (рис. 6). На разрезе выделяется сезонно талый слой с удельным сопротивлением 90 – 210 Ом·м, мощностью 3 – 12 м. Он представлен дресвой с суглинистым заполнителем (по данным шурфовочных работ). На участке с грунтовыми жилами отмечается слой с сопротивлением пород 520 Ом·м. Учитывая явление поляризуемости (η=10%), можно предположить, что здесь находится мерзлота, имеющая высокую отрицательную температуру, как и на перевале Жусалы-Кезень. Ниже залегает высокоомный слой скальных пород с сопротивлением 1800 Ом·м.

Рис. 5. Линия геофизического профиля А-Б и точки ЗСБ (перевал Озерный) на снимке Google Earthe

а)

Рис. 6. Геоэлектрический разрезы по линии А-Б за 2017 (а) и 2016 (б) годы (перевал Озерный); η=15 – поляризуемость, %

В высокогорье динамично развиваются процессы деградации вечной мерзлоты. Особый интерес представляют особенности взаимодействия мерзлоты с поверхностными и подземными водами. Крупнообломочными многолетнемерзлыми породами (ММП) сложены, в основном, морены, каменные глетчеры, склоновые отложения. Они широко распространены в высокогорьях и играют существенную роль в формировании общей геоэкологической ситуации в районе ^{[2, 4]}. Для примера, в Заилийском Алатау выявлено 504 каменных глетчера, и абсолютное большинство из них находятся в том или ином активном состоянии. Из числа активных каменных глетчеров в этом горном хребте 172 являются приледниковыми и 257 относятся к присклоновому типу ^{[4, 5]}. Наблюдения за поведением этих интересных криогенных объектов крайне важно, поскольку они могут рассматриваться как очаги возникновения опасных селевых потоков, и, кроме того, изменение их «поведения» может быть индикатором перемен экологической обстановки в районе, связанными с природными или антропогенными факторами. Поэтому одними из главных объектов исследования были каменные глетчеры Буркутты и «Моренный» (Иле Алатау, Северный Тянь-Шань), а также плотина озера № 6 (оз. Маншук Маметовой).

На каменном глетчере Буркутты в нижней широкой части вкрест простирания тела каменного глетчера был пройден геофизический профиль. По геоэлектрическому разрезу до глубины 250 м можно выделить несколько зон, каждая из которых характеризуется своим удельным сопротивлением пород (рис. 7,8). Для интерпретации данных была взята модель строения каменных глетчеров А. П. Горбунова ^[4]. Верхний низкоомный слой (не больше 20 Ом·м) мощностью от 1,5 до 2,3 м представляет собой крупнообломочный чехол из глыб и щебня с супесчано-суглинистым заполнителем, имеющим высокую влажность, о чем свидетельствует низкое сопротивление пород. Этот горизонт представляет собой сезонно-талый слой, подстилаемый высокоомным слоем (9000 Ом·м), мощность которого от 12 до 27 м. В данном слое отмечена высокая поляризуемость (15 %), что по нашим лабораторным исследованиям свидетельствует о большом количестве линз и включений льда. Слой состоит из мерзлого песчано-щебнистого материала, включающего линзы суглинка и гранитные глыбы. Можно предположить, что в этом горизонте находится погребенный ледниковый лед. Следующий слой также характеризуется высоким сопротивлением (7000 Ом·м), но поляризуемость пород значительно меньше, то есть отложения менее льдистые. Предположительно эта толща мощностью в 70 – 90 м представляет собой мерзлое неоднородное основание каменного глетчера. Под ней на разрезе отмечаются коренные кристаллические породы (трещиноватые граниты).

Рис. 7. Линия геофизического профиля и точки ЗСБ (каменный глетчер Буркутты) на снимке Google Earth

Рис. 8. Геоэлектрический разрез по линии А-Б (каменный глетчер Буркутты)

На каменном глетчере «Моренный» было выполнено два геофизических профиля (вкрест и по простиранию тела каменного глетчера). По полученным полевым данным построен разрез, на котором выделяются зоны высоких и низких сопротивлений (рис. 9). Каменный глетчер «Моренный» имеет схожее строение в разрезе с каменным глетчером Буркутты. Верхний низкоомный (не больше 24 Ом·м) сезонно-талый слой мощностью от 1,7 до 2,6 м представлен крупнообломочным грунтом с суглинистым заполнителем высокой естественной влажности. Сезонно-талый слой подстилается грунтами с высокими показателями электрического сопротивления (7500 Ом·м), мощность которого от 7 до 18 м. В данном слое также отмечена высокая поляризуемость пород (25 %), что может свидетельствовать о высокой льдистости данного горизонта. Слой состоит из мерзлого песчано-щебнистого материала, включающего линзы суглинка и гранитные глыбы. Следующий слой также характеризуется высоким сопротивлением (5000 Ом·м), но поляризуемость пород значительно меньше (4 %) или вовсе отсутствует. Эта толща мощностью в 70-100 м представляет собой основание каменного глетчера – коренные кристаллические породы. На глубинах 260-300 м в центральной части каменного глетчера выделяется низкоомная зона (100 Ом·м). Эта часть разреза требует более детального изучения, поскольку природа этой зоны не ясна. Предположительно эта неоднородность отражает глубинный тектонический разлом.

Рис. 9. Геоэлектрический разрез фронтальной части каменного глетчера Моренный

В 2018 году объектом наших исследований были моренные отложения, являющиеся естественный запрудой озера Маншук Маметовой, находящегося в верховьях Малоалматинского ущелья на высоте 3600 м ^[7]. Это небольшое моренное озеро, знаменитое тем, что представляет угрозу прорыва и последующим за этим катастрофическим селем. Вследствие прорыва плотин озер прорывным потоком происходит размытие русла рек и податливых рыхлых склоновых пород за считанные часы, при этом огромная масса крупнообломочных материалов с мелкоземистым сносит всё на своем пути ^[13]. Озеро № 6, образовано таянием ледника Маншук Маметовой ^{[15, 18]}. Ледник уменьшается в размерах за счет усилившегося в последнее время таяния. Также, иногда от ледника отрываются громадные глыбы льда. В период интенсивного таяния, в озеро ежесекундно поступает 150 - 200 литров воды. Весь летний период, озеро находится под наблюдением специалистов Казселезащиты. Уровень воды в озере № 6 понижается с помощью сифонов. Вытекающая из озера вода, вскоре пропадает под землей, и специалисты не могут понять, куда она исчезает. Есть версия, что под землей существует резервуар, гораздо больший по объему, чем само озеро. Может ручей, вытекающий из озера, сначала уходит под камни, а потом впадает в реку Малую Алматинку. Поэтому мы ставили перед собой задачу не только изучить строение мерзлых пород, в которых, как в чаше, «сидит» озеро, но и найти возможные зоны фильтрации и каналы, по которым может происходить фильтрация. Геофизические работы выполнялись тем же методом ЗСБ. Выполнено два профиля вкрест простиранию предполагаемому стоку. Для работ были использованы петли 25х25 м и 50х50 м, что позволило более детально изучить верхнюю часть разреза (рис. 10).

Рис. 10. Геофизические профили ЗСБ и точки зондирований на снимке Google Earth (Ледник Маншук Маметовой, Иле Алатау

Построенные геоэлектрические разрезы для наглядности наложены на рельеф дневной поверхности по линиям профилей на снимках Google Earth (рис. 11). На глубине 2-4 м прослеживается низкоомный слой мощностью от 10 до 17 м. Вероятно именно природа этого слоя может объяснить миграцию большого объема талой воды из озера Маншук Маметовой.

Помимо выполненных работ планируется организация новых стационаров в горах Центрального Тянь-Шаня, где будут пробурены новые наблюдательные скважины, установлены термокосы, проведен комплекс геофизических работ. Полученные в ходе полевых работ фактические (натурные) данные использованы в качестве пространственных слоев базы геоданных, которая создана в программной среде ArcGIS (рис. 12) ^{[10, 11]}.

а)

б)

Рис. 11. Геоэлектрические разрезы по линиям профилей ЗСБ на леднике Маншук Маметовой

Рис. 12. Карта-схема распространения многолетнемерзлых пород на Северном Тянь-Шане (составил И. А. Набиев)

Выводы

По итогам проведенных авторами режимных наблюдений на перевалах Северного и Юго-Западного Тянь-Шаня дана оценка развития криолитозоны на исследуемых участках.

В ходе буровых и шурфовочных работ были получены данные по составу отложений, которые позволили проинтерпретировать построенные геоэлектрические разрезы. По ним удалось оценить мощность сезонно-талого слоя, мощность многоленемерзлых пород, проследить кровлю мерзлых пород в таликовых зонах, а также определить в разрезе разрывные тектонические нарушения.

Термометрические наблюдения на перевалах за 2015-2018 гг. позволили установить, что на склонах южной экспозиции мерзлота отсутствует. Глубина сезонного промерзания на перевале Жусалы-Кезень составила 4,9 м, среднегодовая температура грунтов + 2,2 ⁰С. На склонах северной экспозиции – напротив – присутствуют многолетнемерзлые толщи. Мощность сезонно-талого слоя составляет 3,7 м, а среднегодовая температура составляет – 0,7 ⁰С (перевал Жусалы-Кезень).

Перевалы находятся в поясе прерывистого распространения многолетнемерзлых пород. Тем не менее, климатические условия существенно отличаются. Среднегодовая температура воздуха на перевале Анзоб ниже, чем на перевале Жусалы-Кезень (-2,5 и -1,5 ⁰С соответственно). Величина сезонного промерзания на склоне южной экспозиции на Анзобе 1,3 м, что на 3,6 м меньше мощности слоя сезонного промерзания на перевале в Северном Тянь-Шане. Среднегодовая мощность снега на Анзобе 2,5 м, что существенно больше аналогичной величины на Жусалы-Кезень (к середине зимы мощность снега не больше 0,5 м).

Перевалы характеризуются довольно сложным геологическим строением. Главной отличительной чертой является состав коренных кристаллических пород. На Анзобе – карбонатные породы, на перевале Жусалы-Кезень – граниты и кристаллические сланцы. На Юго-Западном Тянь-Шане нами отмечено множество просадок грунта вытянутых в цепочки вдоль линий разломов, образовавшихся в тыльной части бугров на склонах и в пределах временных водотоков. Вероятно, они связанны с карстовыми процессами в породах карбонатного состава. Тем не менее, образование карстовых воронок в условиях высокогорного климата происходит не без участия криогенных факторов.

Комплексирование геофизических методов (метод ВЭЗ и ЗСБ) - наиболее информативный подход, в условиях высокогорной криолитозоны. При интерпретации данных мы можем сравнить параметры удельного электрического сопротивления и поляризуемости пород. Для работы в горах при изучении глубинной части разреза нами в основном были использованы методы электромагнитного зондирования на переменном токе, которые в наших условиях имеют гораздо меньшие ограничения и позволяют дать полную картину геологического разреза. При детальном изучении верхней части разреза использовался метод ВЭЗ.

По результатам геофизических работ на перевале Анзоб многолетнемерзлых пород нами отмечено не было. Лишь в 2017 году на склоне северной экспозиции был выделен высокоомноый слой мощностью от 1 до 0,2 м на глубине 1 – 3 м, предположительно это перелеток. На перевале Северного Тянь-Шаня на склонах северной экспозиции нами выделены высокоомные слои с довольно низкими удельными сопротивлениями (90 – 500 Ом·м) и довольно высокими значениями поляризуемости (10 %) мощностью от 3 до 40 м (перевал Озерный и Жусалы-Кезень). В данном случае речь идет о «высокотемпературной» мерзлоте. Значения удельного сопротивления довольно низкие, так как в породе вероятно, наряду со льдом, содержится вода.

Комплексные режимные наблюдения позволят решить ряд актуальных проблем высокогорных регионов и возможно предотвратить такие опасные природные явления как гляциальные сели, на которые неоднозначно влияют мерзлые породы. С одной стороны, в результате сложного взаимодействия мерзлых пород с потоками талых ледниковых вод и с моренными озерами в мерзлых моренах и каменных глетчерах возникают внутригрунтовые талики, являющиеся потенциальными очагами зарождения селей. С другой стороны, мерзлые породы удерживают значительные грунтовые массы от вовлечения их в грязекаменный поток, так как криогенный фактор способствует уменьшению поступления обломочного материала в проходящий селевой поток, уменьшая его расход. Очаг гляциального селеобразования обычно формируется за счет сползания и обрушения поверхностных сезонно-талых пород по переувлажненной кровле многолетней мерзлоты.

Метод электромагнитного зондирования ЗСБ позволяет оценить мощность мёрзлых пород, строение, а именно выделять более льдистую часть разреза. Такая информация особенно актуальна для оценки селевой опасности нивально-гляциальной зоны северного склона Заилийского Алатау, в предгорье которого расположены десятки населенных пунктов и крупнейший город Казахстана – Алматы. Помимо прямых метеонаблюдений, режимных наблюдений за температурой пород, данные, полученные в результате геофизического мониторинга, могут показать, как меняется мощность сезонно-талого слоя, как изменяется мощность подозёрных таликов. Такие работы могут помочь в принятии решений по укреплению плотин, предупредить селеобразование. Поэтому необходим постоянный мониторинг гляциальной зоны Заилийского Алатау для выявления новых и оценки состояния старых очагов селеобразования.