Принцип действия георадара основан на зондировании электромагнитными импульсами земной поверхности на различную глубину и восстановлении картины раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью по отраженному сигналу [1, 2]. Этот подход можно рассматривать в качестве одного из направлений гносеологического познания природных объектов, в том числе и почвенного покрова, и формирования картины пространственной организации территории [3].
За последние десятилетия георадиолокация как неразрушающий метод успешно используется при изучении подповерхностных сред. Специалистами накоплен огромный положительный опыт как в проведении полевых работ, так и в приемах обработки и интерпретации георадиолокационных данных. Области применения георадарных обследований обширны – геология, строительство, археология, экология и др. [4, 5]. Наземная радиолокация с помощью георадара используется для определения глубины границ слоев с разными электрическими характеристиками. Георадар в условиях многолетней мерзлоты с успехом может использоваться как для решения геолого-геофизических, инженерных задач, так и в почвенных исследованиях [6, 7].
В настоящей статье приводятся предварительные результаты георадиолокационных работ, которые проводились в августе 2017 г. в Еравнинской котловине юга Витимского плоскогорья. В ходе этих работ георадар использовался для изучения верхних слоев мерзлотного разреза (сезонноталого и сезонноактивного) и криогенных процессов, таких как пучение.
Материалы и методы исследования
Район исследований расположен на южной границе распространения многолетней мерзлоты, что определяет ее пространственно близкое сочетание с участками немерзлых пород. Мощность многолетнемерзлых пород в южной части Витимского плоскогорья достигает 100 м, распространение большей частью сплошное. Температура пород на глубине 12–14 м составляет –1,2...–1,7 °С. Температура нижней части профиля почвы (290–300 см) в течение всего вегетационного периода –0,1...–0,2 °С. По мере оттаивания почвы температура ее нижних слоев повышается от –5,8 °С (начало апреля) до –0,1 °С (август) [8, 9]. Многолетняя мерзлота, контактирующая с почвой, оказывает охлаждающее влияние не только на ее нижнюю часть, но и на весь профиль. Поэтому в течение лета биологически активная температура опускается по профилю почвы только до 60–80 см от поверхности, а нижележащие слои на глубине 1,5–2,5 м при максимальной глубине протаивания 2,8–2,9 м, остаются постоянно холодными. Сумма биологически активных температур составляет 1330 °С.
В Еравнинской котловине в связи с благоприятными условиями водного питания бугры пучения чаще всего приурочены к подгорным шлейфам и плоским водоразделам. Встречаются площадное и локальное пучение, которое может возникать вследствие неоднородности условий промерзания, обводненности, состава пород и других факторов. В результате формируются различные по форме и размерам бугры пучения. Заметнее всего в рельефе проявление локального пучения (бугры, полосы пучения). Ширина бугров достигает десятков метров, а превышений над окружающей поверхностью до 1,5–2 м.
Максимальная интенсивность пучения грунтов свойственна почвам с преобладанием в ее составе фракции пыли (0,05–0,005 мм). По гранулометрическому составу почвы исследуемых бугров пучения относятся к пылеватым тяжелосуглинистым. Физическое выветривание почвообразующей породы идет до мелкой пыли (15,3 %), а при сильном промерзании в зимний период происходит коагуляция коллоидальной и илистой фракции с образованием микроагрегатов крупной пыли (22,7 %) и мелкого песка (18,9 %), что резко снижает миграционную активность ила.
Георадарное зондирование бугров пучения проводилось прибором «Око-2» с антенным блоком АБ-400 с центральной частотой зондирующего сигнала 400 МГц. Работа радиолокационного прибора подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии – георадара) основана на использовании классических принципов радиолокации. Передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1,0–1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная частота сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения (ударный метод возбуждения).
Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, усиливается в широкополосном усилителе, преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя и запоминается для последующей обработки. После обработки полученная информация отображается на индикаторе.
Рис. 1. Район исследований
Рис. 2. Схема расположения исследованных бугров пучения
Результаты исследования и их обсуждение
Проведено георадарное исследование двух групп бугров пучения в Еравнинской котловине юга Витимского плоскогорья (рис. 1). Три бугра пучения находятся на равном удалении между населенными пунктами Сосново-Озерский, Гарам и Укыр, схема георадарного профилирования приведена на рис. 2. Еще два бугра пучения находятся в 30 км на северо-восток вдоль автотрассы на Читу, схема профилей приведена на правой вкладке. Эти две группы бугров пучения в географическом отношении можно отнести к западной и восточной частям Еравнинской котловины. На рис. 3 представлен вид бугра пучения 1 с северной стороны.
На рис. 4 приведена радарограмма бугра 1 с нанесенным рельефом. Диаметр бугра 50 м, превышение над окружающим рельефом около 1,5 м. Радарограмма характеризует общее плоскослоистое строение грунта с небольшими дислокациями и деформациями криогенного происхождения. Визуально в диапазоне глубин 2–3 м от поверхности наблюдается зона повышенного затухания сигнала георадара. Она ограничивается кровлей мерзлого грунта (отмечена пунктирной линией). Это подтверждается видом спектров сигнала георадара на разных глубинах (рис. 5).
Рис. 3. Вид бугра пучения 1 с северной стороны
Рис. 4. Радарограмма бугра 1. Георадар «Око-2» с антенным блоком АБ400 (центральная частота 400 МГц). Пунктирной линией отмечена кровля мерзлоты
Рис. 5. Спектры сигнала георадара в зоне бугра 1 и за его пределами в интервалах глубин 0–1 м, 1–2 м, 2–3 м и 3–4 м
Рис. 6. Температурные профили бугра пучения 1
Увеличение влажности грунта приводит к увеличению затухания сигнала георадара, более выраженного на высоких частотах. Это приводит к изменению соотношения содержания низких и высоких частот в спектре сигнала георадара в сторону преобладания первых. Таким образом, можно качественно проследить изменение влажности грунта с глубиной и по простиранию. В данном случае на примере бугра пучения 1 мы наблюдаем повышенную и нарастающую влажность грунта в метровом интервале от поверхности до границы мерзлоты по сравнению с окружающей местностью. В центральной части бугра 1 установлен измеритель температурного профиля грунта до глубины 3,2 м. На рис. 6 представлены 5 профилей температуры июля – августа 2017 г., разделенные декадным периодом. 9 августа, в период измерений, глубина до кровли мерзлоты составила 310 см.
Рис. 7. Радарограмма бугров пучения 4 (а) и 5 (б). Георадар «Око-2» с антенным блоком АБ-400. Пунктирной линией отмечена кровля мерзлоты. Светлым фоном в центральной части бугров отмечена зона интенсивных нарушений плоскослоистой структуры грунта
Рис. 8. Спектры сигнала георадара в зоне бугра 4 и за его пределами в интервалах глубин 0–1 м, 1–2 м, 2–3 м и 3–4 м
Несколько иная картина наблюдается на восточной группе бугров пучения. Радарограммы бугров 4 и 5 показывают более выраженные нарушения плоскослоистой структуры грунта не только дислокациями, но и неравномерным проседанием при оттаивании льдосодержащего грунта в теле бугров (рис. 7). На бугре пучения 5 это привело к образованию кратерообразного углубления на вершине.
В поле спектров отличие восточной группы бугров 4 и 5 от западных 1–3 заключается в пониженной влажности в интервале 1–2 м тела бугров от окружающей местности (рис. 8).
Выводы
Проведенное георадарное исследование бугров пучения Еравнинской котловины позволило установить положение кровли мерзлоты на глубине 3,1 м в период измерений 09.08.2017 г. Надо полагать о том, что она могла быть обнаружена и глубже, чем 3,1 м, так как еще два месяца, август и сентябрь, были очень жаркими в этом году. Измерение надо проводить только после окончания периода с высокими атмосферными температурами. По выявленным различиям в строении западной и восточной групп бугров Еравнинской котловины можно сделать вывод о различной стадии их криогенеза.
Работа выполнена в рамках темы государственного задания «Эволюция, функционирование и эколого-биогеохимическая роль почв Байкальского региона в условиях аридизации и опустынивания, разработка методов управления их продукционными процессами (№ АААА-А 17-117011810038-7) при финансовой поддержке полевых исследований из средств гранта РФФИ № 16-04-01297 «Криоморфозы в почвах на южной границе распространения мерзлоты: тенденции развития; запасы, состав, свойства, строение органического вещества».