Физика Земли, 2022, № 3, стр. 153-160

ВВЕДЕНИЕ

В связи с ростом техногенной нагрузки на среду обитания значительное внимание уделяется изучению геофизических полей различной природы, их преобразованиям и взаимодействию [Уткин и др., 2010]. Приграничная область контакта земной коры и атмосферы характеризуется взаимодействием электрических и магнитных полей, теллурических, ионосферных и магнитосферных токов, а также режимом подземных вод. [Адушкин, Спивак, 2012]

Еще в работах шестидесятых годов (например, в работе [Mather, 1962]) на основе регистрации теллурических токов в течение нескольких месяцев на геомагнитно сопряженных точках, на Алеутских островах и в Новой Зеландии было показано, что основные вариации происходят почти одновременно и имеют сходную продолжительность, хотя похожая амплитуда вариаций наблюдается не во всех пунктах, из-за различной электропроводности на участках наблюдения. В работе [Qin-Zhong et al., 2017] показано, что при изучении геоэлектрического поля наблюдается связь между естественными электрическими потенциалами и строением подложки. Величина дополнительного геоэлектрического поля варьируется от одного пункта наблюдения к другому и зависит от однородности структуры подстилающей среды.

Электропроводность грунтов определяется их водонасыщенностью, уровнем подземных вод безнапорного водосодержащего горизонта. Сезонные изменения уровня этого водоносного горизонта хорошо выражены [Рябова, 2015]. В работе [Lange, 1996] по результатам бурения до глубины от 9 до 28 м показано, что положительные аномалии естественного потенциала связаны с системой подземных вод зонами проницаемости.

В работе [Дещеревский, Сидорин, 1999] по данным, полученным на Гармском горном полигоне, показано, что наиболее значимой периодичностью является годовая. Сезонная вариация хорошо прослеживается в многолетних наблюдениях на Камчатке [Юшко, 2007]. Отмечается, что в периоды установления отрицательных температур воздуха отмечается спокойное поведение разностей электротеллурических потенциалов на измерительных линиях, а в периоды установления положительных температур воздуха проявляются амплитудные вариации.

Кроме сезонных изменений прослеживаются суточные вариации. В Гарчи, Франция, 04.1995–04.1996 гг. в отсутствии возмущений магнитного поля наблюдались суточные колебания электрических потенциалов 0.1–1.5 мВ/50 м в зависимости от меняющихся во времени почвенных условий, температуры почвы [Perrier, 2000].

В Якутии наличие мерзлоты создает свои особенности в вариациях естественных потенциалов. Мощность вечномерзлого грунта составляет от нескольких сот метров до нескольких километров, оттаивающий верхний слой 1–3 м. В работе [Cao, 2021] показано, что колебания содержания влаги в верхнем слое почвы являются значительными в сезонно мерзлых землях под влиянием барьера слоя вечной мерзлоты, и при выпадении дождя уровень надмерзлотных вод в зоне вечной мерзлоты значительно повышается. При отсутствии стока образуются заболоченные участки, мари. Степень заболоченности лесостепной зоны 5%. В настоящее время продолжается деградация вечной мерзлоты, в результате чего площадь заболоченных почв увеличится [Shpedt, 2019].

Территория Центральной Якутии характеризуется резко континентальным климатом со среднегодовой температурой воздуха –9.5°С. На террасах рек Лена и Вилюй в области сплошного развития многолетнемерзлых пород мощностью до 250–400 м в верхних слоях геологического разреза распространены над- и межмерзлотные водоносные талики, которые, как и заболоченные участки, создают неоднородности в подстилающей среде [Шепелев, 2002]. Талики создаются за счет того, что зимой часть воды внедряется в толщу осушенных за лето песков [Павлова, 2016]. В многолетних исследованиях используются такие параметры оценки электрических свойств грунтов криолитозоны, как эффективное электромагнитное сопротивление [Ефремов, 2017], радиоимпедансное зондирование мерзлых грунтов [Нерадовский, 2013].

Наблюдается межгодовая вариация напряженности геоэлектрического поля. По данным работы [Lucas, 2020] 100-летняя вариация напряженности геоэлектрического поля в США составляет более чем 3 порядка величины от минимума 0.02 В/км на юге до максимума 27.2 В/км на севере (в исследованиях вариаций геоэлектрических потенциалов в условиях вечной мерзлоты), где почти 30% обследованной территории превышает 1 В/км. Это говорит о важности использования реалистичных экспериментальных данных при оценке геоэлектрических опасностей и актуальности данных исследований, особенно в связи с наблюдающимся в Якутии потеплением климата (на 4 градуса) в последние годы.

Цель данной работы – рассмотрение суточных, сезонных и межгодовых вариаций в последние годы естественных потенциалов на двух площадках в криолитозоне, одна из которых включает заболоченный участок с повышенной влажностью (марь), а вторая расположена на “сухом” участке.

АППАРАТУРА

В типичной схеме электротеллурические измерения [Кролевец, 2003] проводят, регистрируя разности потенциалов между 2 парами измерительных линий, ориентированных в направлениях С–Ю и В–З, соединяющих неполяризующиеся электроды. Далее вычисляется напряженность и направление электротеллурического поля E. Полигон ИКФИА СО РАН, на котором проводились исследования, расположен в 20 км юго-западнее г. Якутска в бассейне р. Шестаковки около озера Кюрдюгелях. Подстилающая среда бассейна р. Шестаковки до глубин 40 м представлена песками с включениями супеси и суглинка [Балобаев, 2003]. Почвы в регионе вокруг Якутска палевые мерзло-таежные в сочетании с болотными и солодами. Мощность сезонно-талого слоя 0.5–2 м. Неоднородностями в подстилающей среде являются заболоченные участки и талики, которые занимают около 20–25% площади, что характерно для Якутии [Лебедева, 2018].

Институт мерзлотоведения СО РАН исследовал надмерзлотный водоносный талик, шириной 180–200 м и протяженностью более 500 м в 2 км от полигона, на котором проведены наши измерения. Талик начинается с небольшого заболоченного участка – мари. На глубинах до 1.7 и 7.2–10 м пески находятся в мерзлом состоянии, а на глубине 1.7–7.2 м находится водонасыщенный слой. Удельное сопротивление для талых мерзлых песков 1000–2500 Ом ⋅ м, а для водонасыщенных песков 100 Ом ⋅ м и ниже. Для мерзлых песков более 2000 Ом ⋅ м. В весеннее время породы талика менее влажные, а к осени находятся в более водонасыщенном состоянии [Лебедева, 2019]. На глубине 1.5 м самая низкая температура грунта наблюдается в декабре от –6 ± 1°С при относительно большой влажности 21.5% и –8 ± 1.5°С при низкой влажности 8.7%. Промерзание на этой глубине происходит в ноябре, температура грунта меняется от 0 до –6°С. Оттайка верхнего слоя грунта происходит в мае. Температура грунта меняется от –1.5 до +1°С. Летом температура грунта на этих глубинах прогревается до +4°С [Стручков, 2004]. Под городом Якутском вечная мерзлота имеет мощность 200–250 м, а ее температура от –2 до ‒8°С. Глубина протаивания для окрестностей г. Якутска: для песчаных грунтов 2.2–3 м, для суглинков 1.4–1.8 м, на территориях, покрытых лесом в окрестностях города 1 м [Некрасов, 1984]. На полигоне, где проводились измерения, грунт оттаивает также на глубину, равную 1 м. В октябре, начале зимнего сезона, высота снежного покрова увеличивается с постоянной скоростью. Таяние снежного покрова начинается с апреля.

Основные изменения в сторону повышения удельного сопротивления грунта при разносе электродов на 1.5 м по нашим измерениям происходят в октябре–ноябре при изменении температуры воздуха от –5 до –25°С, а при разносе электродов на 3 м при температурах ниже –20°С. Зимой удельное сопротивление остается почти постоянным. Температура в –20°С в районе Якутска устанавливается около 25 октября–3 ноября. Нужно отметить, что кроме промерзания грунта с поверхности, иногда происходит его промерзание и с глубины за счет вечномерзлого слоя [Некрасов, 1984]. Весной при температуре воздуха +7°С понижение удельного сопротивления грунта начинается в мае. Сезонные изменения удельного сопротивления грунта в слое 0.5 м (при разносе электродов на 1 м) изменялись от 130 до 470 Ом ⋅ м (увеличение в 3.6 раза). В слое грунта до 1.5 м (при разносе электродов на 3 м) удельное сопротивление грунта изменялось от 40 до 200 Ом ⋅ м (увеличение почти в 5 раз), что соответствует данным в статье [Башкуев, 1996].

Расположение трех пар “измерительных линий” длиной по 100 м в наших измерениях, ориентированно по компасу и приведено на рис. 1. Две пары линий захватывают неоднородность – заболоченный участок. Линии второй пары сдвинуты на 1 м относительно первой пары к северу и западу. Третья пара “измерительных линий” расположена полностью на сухом участке. Ее меридиональная линия (С–Ю) является продолжением второй линии С–Ю, а 100 м плечо В–З расположено к западу от северного конца второй линии С–Ю.

Рис. 1.

Расположение трех пар “измерительных линий” длиной по 100 м. Первые две пары линий практически совпадают и захватывают заболоченный участок – марь.

Измерения вариаций магнитного поля и естественных электрических потенциалов на 1-ой линии производятся с помощью 24-битной геофизической электромагнитной измерительной системы METRONIX ADU-07e. Датчики электрического и магнитного полей подключаются непосредственно к ADU-07 (Analog/Digital Signal Conditioning Unit), который является основным блоком системы. Сам прибор (METRONIX ADU-07e.) находится в помещении. Туда же заведены концы проводов от неполяризующихся электродов. Измерительные линии, указанные на рисунке, расположены по направлениям магнитных С–Ю и В–З. Линия восток–запад (обозначенная черным цветом) расположенная на западном краю мари. Заболоченная часть мари видна как безлесный участок и редколесье.

На остальных линиях измерения проводились с помощью специального логгера. Используются неполяризующиеся электроды 4.2-E-SMS-M. Для контроля измерений использовался мультиметр АММ-1009, имеющий при измерении напряжений внутреннее сопротивление более 3 Мом и позволяющий производить измерения с точностью до 0.1 мВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Наши наблюдения с 2017 по 2021 гг. показали, что вариации на первой и второй парах линий, захватывающих участок с марью, приблизительно совпадают. В отсутствии магнитных возмущений вариации естественных потенциалов имеют характерный суточный ход, описываемый одним периодом волны с амплитудой 5 мВ в измерительной линии на неоднородности “марь”, максимум которой сдвигается по времени от лета (6 UT) к зиме (23 UT).

Для описания сезонной вариации рассмотрим вариации на второй паре линий. Их вариации приведены на рис. 2. Весной на этой линии, расположенной С–Ю с 04–17 апреля по 11–27 апреля наблюдается резкое изменение потенциалов в отрицательную сторону на 55–90 мВ, далее изменение в сторону положительных потенциалов до 20 мая на 170 мВ. До середины июля наблюдается плато и затем резкое изменение в сторону отрицательных потенциалов на 50 мВ. Далее до конца октября наблюдается осеннее плато. В середине ноября происходит резкий подъем до зимних значений. Зимой наблюдается плато с небольшим наклоном. На линии, расположенной В–З, наблюдается похожая вариация.

Рис. 2.

Вариации на второй паре линий, захватывающих участок с марью.

Вариация потенциалов для сухого участка представлена на рис. 3. Потенциалы и их вариации на линиях, расположенных на сухом участке (третья пара линий), коррелируют с вариациями на участке, содержащем марь, но по величине меньше примерно в 10 раз.

Рис. 3.

Вариации на третьей паре линий, сухой участок.

Сравним сезонные вариации на заболоченном участке (марь) и полностью сухом. Для этого рассмотрим вариации естественных потенциалов на первой паре линий между датчиками В и Ю, направленной с ЮЗ на СВ. Датчик В расположен почти в центре мари, а датчик Ю на ее краю. Расстояние между датчиками 70 м. Вторая пара датчиков (третья пара линий) расположена на полностью сухом участке и образуют линию параллельную линии на маре длиной 140 м, удаленную от первой на 140 м.

Сравнение сезонных вариаций на заболоченном участке (марь) и полностью сухом показано на рис. 4. Сезонный размах потенциалов на линии на маре составляет 350 мВ. Само изменение начинается с 01 апреля с величины стабильных зимних значений 40 мВ/70 м. Далее идет резкий скачок до 11 апреля до 150 мВ/70 м, связанный с таянием снега. Далее еще более резкий скачок в обратную сторону до –200 мВ/70 м до 22 мая.

Рис. 4.

Сезонные вариации на заболоченном участке (марь) и полностью сухом.

Далее наблюдается экспоненциальное летнее изменение до –10 мВ/70 м до 01 ноября. В ноябре идет постепенная перестройка к стабильному зимнему уровню 22 мВ/70 м. На сухом участке наблюдается качественно похожая картина. Только размах составляет 63 мВ/140 м и стабильный зимний уровень составляет от –0.9 до 2 мВ/140 м.

По зимним наблюдениям наблюдается длительная вариация с периодом около 4-х лет в направлениях С–Ю и В–З (рис. 2). Зимой 2016–2017 гг. наблюдался спад к зиме 2017–2018 гг. и далее подъем на протяжении 3-х лет до конца зимы 2019–2020 гг., и снова спад зимой 2020–2021 гг.

Наблюдаемую зависимость усредненной месячной величины естественных потенциалов от месячной суммы осадков (рис. 5) можно выразить линейной функцией Е (мВ/100 м) = 1.2 V (мм/месяц) + 29. Приведены среднемесячные данные осадков и потенциалов с осени 2017 по весну 2021. Данные осадков взяты с сайта http://www.pogodaiklimat.ru/history/24959_2.htm.

Рис. 5.

Зависимость усредненной месячной величины естественных потенциалов от месячной суммы осадков.

Во время дождливых дней наблюдаются резкие выбросы величин естественных потенциалов (рис. 2–рис. 4). Это связано с резким увеличением проводимости промокшего грунта. Максимальные осадки 34–73 мм/месяц 2016–2020 гг. наблюдались в июле–сентябре.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Наиболее значимой периодичностью является годовая, что соответствует результатам, полученным на Гармском горном полигоне [Дещеревский, Сидорин, 1999] и на Камчатке [Юшко, 2007]. Эта вариация на заболоченном участке имеет значительную величину ~120 мВ/100 м. На сухом участке амплитуда этой вариации в три раза меньше, что объясняется стоком подснежных вод в низины, в том числе на заболоченные участки, где вода накапливается и после схода снежного покрова полностью покрывает грунт. В периоды установления положительных температур воздуха проявляются амплитудные вариации, что и отмечается в работе [Дещеревский, Сидорин, 1999]. В силу малого количества осадков в центральной Якутии, где проводились наблюдения, к середине лета эта вода испаряется из-за устойчивых высоких температур до 35 градусов Цельсия и проводимость верхнего слоя грунта уменьшается, несмотря на идущую оттайку мерзлоты в нем. Наблюдается зависимость величины естественных потенциалов от величины осадков, увеличивающих влажность почвы и ее проводимость, что отмечается в работе [Рябова, 2015].

Весенне-осенние достаточно резкие переходы, особенно в весеннее время, обусловлены полным промерзанием верхнего слоя грунта осенью, оттаивающего весной и соответствующих изменений электрических свойств грунта. Весеннее таяние снежного покрова приводит к резкому увлажнению самого верхнего слоя грунта, что приводит к резкому увеличению его проводимости. Как показано в работе [Кролевец, 2003] основной особенностью годового хода градиентов ЭТП является сезонный минимум, совпадающий с периодом таяния снежного покрова (со второй половины апреля, когда среднесуточная температура воздуха переходит через ноль, до середины июня).

В зимнее время наблюдается устойчивое значение геоэлектрических потенциалов, что объясняется отсутствием вариаций в проводимости в периоды установления отрицательных температур воздуха и полного промерзания мерзлотного слоя, что отмечается и в долговременных наблюдениях на Камчатке [Юшко, 2007].

В отсутствии магнитных возмущений и дождя в день измерений и в предыдущий день вариации естественных потенциалов на участке с марью имеют характерный суточный ход, описываемый одним периодом волны с примерно противофазным характером. Атмосферики создают характерные всплески иногда до 120 мВ/100 м, учитывая секундное разрешение прибора. Далее приведено описание характерных периодов суточной вариации для сезона с декабря 2016 г. по сентябрь 2017 г. В декабре 2016 г. на линиях С–Ю и В–З суточная вариация составляет около 2 мВ/100 м с максимумом около 21 UT (С–Ю) и около 24 UT (В–З). В июне 2016 г. на линии С–Ю суточная вариация составляет около 40 мВ/100 м с максимумом в 2–7 UT (С–Ю) и минимумом 15–19 UT. На линии В–З суточная вариация составляет около 40 мВ/100 м с максимумом в 10–15 UT (С–Ю) и минимумом в 0–3 UT. В августе на линии С–Ю суточная вариация составляет около 25 мВ/100 м с максимумом в 3–10 UT (С–Ю) и минимумом в 0–19 UT. На линии В–З суточная вариация составляет около 15 мВ/100 м с максимумом в 10–15 UT (С–Ю) и минимумом в 15–24 UT. В сентябре на линии С–Ю суточная вариация составляет около 15 мВ/100 м с максимумом в 12–21 UT (С–Ю) и минимумом в 3–6 UT. На линии В–З суточная вариация составляет около 6 мВ/100 м с максимумом в 6–9 UT (С–Ю) и минимумом в 21–24 UT. Для линий на сухом участке суточная вариация мала и плохо выделяется из уровня флуктуаций. Выделяются только всплески во время дождя до 20 мВ/100 м.

Количественные данные по потенциалам в начале и конце сезона полной проморозки зимой верхнего оттаивающего летом слоя в 2017–2021 гг. представлены в табл. 1.

Количественные данные по потенциалам в характерных точках (когда потенциалы резко изменяются, см. рис. 2–рис. 4) летнего сезона оттайки верхнего слоя в 2017–2021 гг. для сухого участка и участка с марью представлены в табл. 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Переход от летних значений к зимним для естественных потенциалов при измерениях, проведенных в центральной Якутии, как на участке с марью, так и на сухом участке, происходит в конце ноября. Обратный переход значений естественных электрических потенциалов от зимних условий к летним по нашим наблюдениям происходил с третьей декады апреля, в течение мая. Эти весенне-осенние переходы обусловлены промерзанием верхнего слоя грунта, оттаивающего в летних условиях и соответствующих изменений электрических свойств грунта. Наблюдается зависимость величины естественных потенциалов от величины осадков, увеличивающих влажность почвы и ее проводимость.

Вариации естественных электрических потенциалов в течение годового сезона с сентября 2016 г. по апрель 2021 г. на участке с марью составили значительную величину ~120 мВ/100 м. При отсутствии неоднородности (мари) максимальная вариация наблюдается весной во время схода снежного покрова из-за резкого увлажнения верхнего слоя грунта и составляет менее 40 мВ/100 м.