Маслаков А. А. Студент, кафедра криолитологии и гляциологии географического факультета

Маслаков А. А.
Студент, кафедра криолитологии и гляциологии географического факультета
Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ
ГРУНТОВ В ЗАПАДНОМ ПОДМОСКОВЬЕ
Аннотация
Статья представляет собой отчёт о зимней экспедиции студентов 2 курса
кафедры криолитологии и гляциологии в район Можайского водохранилища, в ходе
которой были изучены взаимосвязи между элементами криосферы, оценено влияние
ландшафтных условий на параметры сезонного промерзания. Также была проведена
прогнозная оценка мощности весеннего паводка 2010 г для этой территории.
Ключевые слова: сезонное промерзание, экспедиция, грунт
Keywords: active layer, expedition, ground
Введение
На территории Можайского района Московской области группа студентов кафедры
криолитологии и гляциологии Географического факультета МГУ в рамках
экспедиционных исследований НСО проводила натурные наблюдения за динамикой
криосферных объектов.
Цель исследования – изучение сезонного промерзания грунтов в различных
ландшафтных и погодных условиях, а также определение зависимости глубины сезонного
промерзания от высоты снежного покрова, литологии грунтов, криогенного строения,
температурного и влажностного режима пород.
Натурные исследования проходили в два этапа: с 4 по 6 декабря 2009г., в начале
зимнего промерзания, и с 19 по 22 февраля 2010г., когда мощность сезонного промерзания
и снежный покров полностью сформировались и были близки к своему максимуму. На
первом этапе были произведены следующие работы:
- выбраны точки наблюдений на различных геоморфологических уровнях и на
участках с разными растительными сообществами;
- описаны ландшафтные условия;
- изучены почвенно-грунтовые разрезы;
- измерена температура воздуха и грунта (на поверхности и по глубине);
- отобраны пробы грунтов на различные виды анализов.
Во время второго этапа наблюдения были сконцентрированы на:
- изучении стратиграфии снежного покрова;
- измерении мощности снежного покрова в различных природных условиях;
- измерении глубины сезонного промерзания;
- изучении криотекстур сезонно-мерзлых грунтов;
- измерении температуры в воздухе, снеге, в мёрзлом и немёрзлом грунте
- отборе проб мерзлого грунта для оценки изменения влажности после промерзания.
Результаты натурных наблюдений позволили выявить сложные взаимосвязи
компонентов природной среды и сезонного промерзания грунтов. Данные по
исследованию температуры позволили вычислить температурные градиенты в грунте,
снеге и воздухе в различных ландшафтных условиях.
Хотелось бы выразить особую благодарность начальнику Красновидовской УНБ
Пуклакову В.В и сотруднице станции Пуклаковой Н.Г. за помощь в размещении и
оснащении (прежде всего, шанцевым инструментом – ломами, лопатами) нашей
небольшой экспедиции, в выполнении лабораторных исследований.
Методика проведения исследований
Место проведения нашей экспедиции - район Красновидово, рядом с Можайским
водохранилищем – весьма типично (по природным условиям) для Западного Подмосковья.
Важными моментами экспедиции НСО явилось овладение полевыми методами
исследований природных объектов. В полевых условиях проводились ландшафтная
рекогносцировка, профилирование, шурфование снежных толщ и грунтов, термометрия,
отбор проб, измерение толщины снега, мощности почвенных горизонтов и др. В
лаборатории определялась влажность и гранулометрический состав грунтов, вначале
(начало декабря) – предзимнее распределение влаги в почвах и грунтах, затем (конец
февраля) – результат криогенного перераспределения влаги в результате промерзания
грунтов.
Проведение полевых работ
В первый день под руководством доц. канд. геол.– мин. наук Гребенца В.И. был
проведен общий ознакомительный маршрут. Во второй день были выполнены ещё 2
параллельных маршрута на берег водохранилища и на междуречье. Были выполнены
ландшафтные описания, которые при проведении следующего этапа помогли определить
ряд факторов, влияющих на сезонное промерзание грунтов. В каждой точке измерялась
температура наружного воздуха и грунтов, что явилось одним из важнейших разделов
исследования, выполнялись описания почв и грунтов в закопушках и шурфах. В
отдельных точках мы брали пробы грунта на различные виды аналитических анализов,
причем отбор проб проводился стандартными грунтовыми кольцами, что позволяло
выявить не только влажность, но и объемный вес скелета грунта ненарушенной
структуры.
Подобные детальные исследования на 1-м этапе позволили создать
своеобразную базу данных о ландшафтно-грунтовых особенностях территории и в период
проведения 2-го этапа сосредоточиться на главном объекте исследований – сезонномерзлом грунте, а также на особенностях снежного покрова в зависимости от
ландшафтной приуроченности.
Во втором маршруте мы провели измерения сезонно-мерзлого слоя (СМС) и
мощности снежного покрова. Изучили строение и
структуру снега, измерили
температуры пород, снега и воздуха по тем же 3-м маршрутам. Кроме того, было
проведено шурфование с целью изучения глубины и характера СМС, в частности, типов
криогенных текстур. Особое внимание уделялось измерению температуры показаний
воздуха, грунта и снежной толщи с помощью электронных и ртутных термометров. Кроме
того, при описании снежного покрова отдельно и детально исследовалась его
стратификация, прежде всего, для выделения ледяных корок, препятствующих конвекции
через снег холодного наружного воздуха. По окончании маршрутов (частично, позже, на
кафедре) в вечернее время осуществлялось взвешивание бюксов с грунтами на
электронных весах, с последующим высушиванием грунтов.
Самый первый, ознакомительный маршрут затрагивает основные природнотерриториальные комплексы (ПТК) на пути от уреза Можайского водохранилища до
водораздельных поверхностей (Рис. 1): полузатопленная пойма водоема (1); смешанный
(2) и еловый (3) лес на террасе реки Педни; местность, затронутая антропогенезом
(просека в лесу) (4); поле-залежь (5). Весьма интересной для изучения представилась нам
долина мелкой речки-ручья Привалишки (6).
Рис. 1. Район проведения маршрута №1
В целях удобства, здесь и далее во всей работе будут использованы следующие
обозначения при описании снежных и почвенных разрезов, шурфов и закопушек (Рис. 2):
песок
свежевыпавший снег, состоящий преимущественно
из пластинчатых кристаллов
супесь
свежеотложенный уплотненный метелевый снег
суглинок
мелкозернистый снег (поперечник зерен до 1мм)
дернина
среднезернисты й снег (поперечник зерен от 1 до 3 мм)
торф
горизонт разрыхления
ил
радиационная корка
следы радиационной корки
ледяная линза
Рис. 2. Условные обозначения снега и грунта.
Для примера оформления описания представлена точка №1:
Точка 1. Пойма Можайского водохранилища. 0,4 км на С-В от моста. Представляет
собой относительно ровную, полузатопленную поверхность, которая занята кривым
редколесьем из Salex, Betul Pendulа, в подросте - Almus Fruticosa. Травянистый ярус
представлен злаками (в основном, овсяницей). Имеется мощный слой опада,
препятствующий промерзанию (выделение тепла при гниении). Промерзание
отсутствовало. Результаты по этой точке приведены на рис. и в табл. T наруж.возд = -1,4°С (4
дек. 2009 г.).
Рис. 3. Снежный (20 февраля 2010 г.) и литологический шурфы т.1.
Табл. 1. Описание литологического шурфа т.1.
№
слоя
А0
Глуби
на
2
Мощнос
ть
0-2
Генези
с
b IV
А1
8
2-10
a-b IV
В1
13
10-23
a IV
В2
16
23-39
a IV
С
35
39-74
a IV
описание
Очес
Супесь, темно-серая, сильно гумусированный
горизонт с большим количеством корней растений.
Тонко-мелкозернистый песок, пылеватый, палевый, с
пятнами гумуса, влажный, относительно
разуплотненный.
Супесь сильно опесчаненная, рыжевато-палевая,
плотная, влажная, с отдельными корнями растений.
Мелкозернистый песок, слоистый, плотный, на дне
вскрыты грунтовые воды.
Табл. 2. Описание снежного шурфа т.1
№ слоя
1.
2.
3.
4.
5.
Мощность
20
5
15
6.
10
Описание
Слабонарушенный свежевыпавший снег
Инсоляционная корка
Смерзшийся снег
Инсоляционная корка
Глубинная изморозь, смерзшиеся кристаллы, имеют зачатки
бокаловидной структуры
Глубинная изморозь, размер кристаллов до 3-4мм, более
плотный, бокаловидная структура, смерзшиеся кристаллы
В результате проведения полевых работ мы составили таблицу, сравнивающую
ландшафтные условия, высоту снежного покрова и глубину сезонного промерзания (Табл.
3):
Табл. 3: Ландшафтные условия, высота снега и мощность сезонного промерзания во
всех точках маршрутов:
Маршрут 1 (общий)
Высота снежного
№ точки, положение
Мощность промерзания, см
покрова, см
1)
Берег водохранилища
0
40
2)
Смешанный лес
20
50
3)
Еловый лес
19
42
4)
Просека в лесу
>51
35
5)
Залежь
12
57
6)
Берег /Терраса реки
0
9
Маршрут 2
№ точки, положение
1)
Пашня
2)
Пашня с остатками
растит.
3)
Граница леса
4)
Болото
5)
Смешанный лес
Мощность промерзания,
см
18
0
Высота снежного покрова,
см
53
50
10
11
60
47
Мощность промерзания,
см
Высота снежного покрова,
см
39
59
20
30
42-55
68
Маршрут 4
№ точки, положение
1)
Залежь у водохранилища
2) Верховья оврага
3)
Берег водохранилища
Климатические факторы и сезонное промерзание грунтов
Зима 2009-2010 года, в целом, была не благоприятной для формирования сезонного
промерзания на изучаемой территории. Устойчивые отрицательные значения температуры
наружного воздуха окончательно установилась только к середине декабря, и в это же
время (параллельно) шло формирование снежного покрова, Например, к 08.12.09 на
ровной площадке (данные метеостанции Можайск) уже отмечалась толщина снега 12 см –
достаточная величина, чтобы он мог оказывать отепляющее влияние. Оттепель в конце
декабря и последовавшие за ней обильные осадки позволили: 1) достигнуть снежному
покрову мощности в 25 см (что позволило усилить свою теплоизолирующую функцию и,
следовательно, отепляющее воздействие). Последовавшие за этим январские морозы
(минимальная температура опускалась до -31°С)
уже не могли в полную силу
способствовать формированию значительного слоя сезонного промерзания на плакорах и в
долинах рек. Ко времени проведения второго этапа натурных исследований (19.02 – 22.02)
снежный покров был близок к своему сезонному максимуму (56см).
Если сравнивать зиму 2009-2010 с предыдущими, можно отметить что она была
одной из самых холодных и снежных зим последнего десятилетия.
Погодные условия этой зимы способствовали повышенному снегонакоплению, что,
вместе с повсеместным распространением сезонного промерзания благоприятствовало
повышенному паводку.
Влияние состава и влажности грунтов на глубину их сезонного промерзания
Состав и влажность грунтов – важные факторы, определяющие глубину сезонного
промерзания; они во многом зависят от локальных условий. В экспедиции НСО
проводились работы по определению их количественных и качественных характеристик.
Сравнение и анализ позволили оценить влияние этих факторов.
После описания шурфа (закопушки) через каждые 10 – 15 см при помощи режущего
кольца отбирали по две пробы грунтов. Образцы помещали в бюксы с крышками. По
возвращению из маршрута путем взвешивания были определены массы бюксов с
грунтами. Уже в Москве, в лаборатории кафедры, открытые бюксы с грунтом были
помещены в сушильный шкаф. В течение 1–2 часов температуру в нем повышают до 100 –
105 ° и еще 5–6 часов образец находится в шкафу при постоянной температуре. Затем
охлажденный бюкс взвешивается и вновь подвергается высушиванию и взвешиванию.
Процесс прекращается, когда разница между двумя последовательными взвешиваниями не
будет меньшей или равной 0,02 г. За массу бюкса с сухим грунтом принимается
наименьшее полученное значение. После определения массы бюкса вычисляется
естественная влажность грунта. Зная объем режущего кольца, можно определить
плотность скелета грунта (ρ2) и плотность грунта ненарушенной структуры (ρ1).
Следующие две таблицы показывают параметры грунтовых образцов на примере точки 2.1
до и после промерзания:
Таблица 4. Влажность и плотность образца до промерзания
Место отбора,
Глубина
W, %
ρ1, г/см³
ρ2, г/см³
Примечания
точка
отбора, м
2.1
0,25
15,78
1,69
1,46
суглинок
2.1
0,50
13,31
2,04
1,80
супесь
Таблица 5. Влажность и плотность образца после промерзания
Место отбора,
Глубина отбора,
W, %
точка
м
2.1
0,18
10,48
2.1
0,40
5,61
Примечания
суглинок
супесь
По полученным результатам были составлены графики изменения влажности и
плотности скелета грунта по глубине (Рис. 3):
Рис. 3: Графики распределения плотности влажности грунта до и после промерзания.
Изменения плотности грунта с глубиной, как правило, характеризуют изменение
литологического состава: суглинки более плотные, чем супеси и пески. Нарушение этой
зависимости связано с антропогенным воздействием – распашкой. Поскольку при
увеличении дисперсности пород коэффициент теплопроводности уменьшается,
промерзание чисто суглинистых толщ будет меньше, чем толщ, сочетающих отложения
разного литологического состава.
До промерзания распределение влаги по глубине следует изменениям плотности,
поскольку последняя характеризует пористость и дисперсность пород, и, как следствие –
их водопроницаемость (крупнодисперсные грунты более водопроницаемы, чем
тонкодисперсные). Кроме того, тонкодисперсный материал обладает плохой влагоотдачей.
Таким образом, до начала промерзания грунты распределяются по влажности следующим
образом (в порядке убывания): суглинки, супеси, пески. Кроме того, льдовыделение в
разных грунтах имеет свои особенности: так, в глинистых толщах наблюдается миграция
влаги к фронту промерзания, а в песчаных – «поршневой эффект», влага «отжимается» из
них.
Наличие воды увеличивает теплопроводность грунта. И при небольшой влажности
все фазовые переходы могут быть обеспечены тепловой энергией. Таким образом, при
увеличении влажности до определенного значения глубина промерзания увеличивается.
Но после превышения этого значения для преобразования воды в лед требуется очень
много энергии (у воды большая теплоемкость), и промерзание не может распространяться
на значительные глубины. В исследуемых ландшафтах наименьшей глубиной промерзания
должны характеризоваться толщи, имеющие до начала льдообразования большую
влажность.
Таким образом, состав и влажность грунтов вызывают существенные различия в
глубине и характере промерзания. Поэтому для определения параметров промерзания в
конкретных условиях для учета в прогнозах объемов половодий, сельскохозяйственных
изысканиях эти факторы обязательно должны рассматриваться подробно и обязательно
совместно.
Влияние характера снежных отложений на сезонно-мерзлый слой
Влияние снежных отложений на глубину сезонного промерзания неоднозначно. С
одной стороны – заметный охлаждающий эффект за счет увеличения альбедо
поверхности, особенно, при выпадении небольшого слоя снега в начале зимы; с другой –
при дальнейшем увеличении мощности снежного покрова он оказывает отепляющее
воздействие вследствие своих теплоизоляционных свойств и затрат тепла на метаморфизм
снежной толщи. Причём важно значение имеет плотность снега. Особенности влияния
снежных отложений на слой сезонного промерзания были выявлены в ходе проведения
нашей экспедиции.
Например, при прочих равных условиях (относительно одинаковые ландшафтные и
термо-влажностные характеристиках), при увеличении плотности снежной толщи
увеличивается и глубина промерзания (см. точки 3 и 4 маршрута №1, где разница в
глубине сезонного промерзания под неуплотненным и уплотненным снегом составила
более 30см). Также на плакорах особую роль играла мощность снежного покрова, при
увеличении которой глубина сезонного промерзания убывает (см. точку 5 маршрута №1 и
точку 1 маршрута №4) – при 57 см снежного покрова промерзание 12 см, а при 53 уже 18
(при прочих равных ландшафтных условиях). Так как стратиграфия снежной толщи, в
целом, на водоразделах была примерно одинакова, выявить закономерности, связанные с
затратами тепла на метоморфизм снежной толщи, не удалось. Максимальная же толщина
снежного покрова составила 68 см, минимальная – 9 см ( табл. 3.); в табл. 3 приведены
соотношения глубины СМС и мощности снега; следует отметить отсутствие прямой связи
между этими параметрами, т.к. на темп и мощность промерзания грунтов влияют не
только гляциологические факторы, но и ландшафтные условия, гидрогеологические
особенности, почвенно-грунтовые характеристики и т.п.
Заключение и основные выводы
В результате 2-х этапной зимней экспедиции НСО в районе Красновидово было
изучено сезонное промерзание грунтов в различных ландшафтных и погодных условиях, а
также определены зависимости глубины сезонного промерзания от высоты снежного
покрова, литологии грунтов, криогенного строения, температурного и влажностного
режима пород.
Во-первых, при прочих равных условиях, чем больше мощность снежного покрова,
тем меньше слой сезонного промерзания. Представляется, что на глубину сезонного
промерзания на территории прохождения экспедиции повлияла не столько холодная зима,
сколько мощный снежный покров, т. к. в сравнении с результатами прошлых экспедиций
(за последние 11 зим, в течение которых в Центральной России проводятся небольшие
экспедиции кафедры по изучению динамики сезонного промерзания грунтов) промерзание
грунтов оказалось, в целом,
меньше, чем фиксировалось ранее, благодаря
исключительной снежности зимы и вопреки рекордно большому количеству
отрицательных градусо-часов – «индексу холода». Во-вторых, чем больше влажность
грунтов, тем меньше он промерзает. Это видно, в частности, из натурных наблюдений на
заболоченных участках, например, в т. 1.1, на полузатопленной пойме водохранилища при
высоте снега в 40 см грунт к концу февраля не промёрз вовсе, в то время как недалеко, на
относительно дренированной поверхности террасы в смешанном лесу при высоте снега в
50 см мощность СМС составила 20 см. В-третьих, антропогенная нагрузка на территорию
заметно способствует промерзанию почвы и грунтов, что отчетливо выявлено при
устройстве шурфов на просеке в лесу, используемой для лыжной трассы. В-четвёртых, на
мощность промерзания весьма сильно влияет литология грунтов, например, на почти
незаснеженном берегу небольшой речки, сложенном илистыми влажными грунтами
(т.1.6), их промерзания к концу февраля не установлено.
Сезонно-мерзлые грунты почти повсеместно имели массивную криогенную
текстуру, корковые наблюдались только вокруг корешков и других включений в почву и
грунты, преимущественно, тонкодисперсные, причем в них же лишь на отдельных точках
были встречены тонко- частослоистые криотекстуры. Всё это свидетельствует о
достаточно быстром продвижении волн холода в декабре, при этом влага в
тонкодисперсных грунтах не успевала подтянуться к фронту льдовыделения.
Таким образом, в результате выбора точек в различных природно-территориальных
комплексах, на которых зимой формировались свои гляциологические условия, нам
удалось учесть основные факторы, влияющие на промерзание различных почво-грунтов
Западного Подмосковья в достаточно холодную и многоснежную зиму. В конце февраля
были разработаны и переданы в Гидрометеобюро по Москве и Московской области
прогнозы влияния криосферных факторов на паводковую ситуацию весны 2010 г., при
этом было отмечено, что относительно неглубокое (хотя, практически, и повсеместное по
площади) промерзание грунтов не окажет существенного влияния на повышение уровня
половодья (впрочем, сыграет небольшую роль как временный водоупор), на корневую
систему растений, на возможность активизации экзогенных процессов, в то же время
мощный снежный покров, несомненно, будет способствовать локальным подтоплениям.
Результаты натурных наблюдений учитываются в научно-исследовательских работах
кафедры по приоритетным научным направлениям Географического факультета, в
частности, при изучении пространственно-временных закономерностей эволюции
криосферы.