До сих пор исследователи не могли изучать сезонные изменения в горной вечной мерзлоте. Скальный ледник Шафберг в восточной части Швейцарских Альп отслеживается на глубине 12 м с помощью новой комбинации данных скважинной температуры, скважинного пьезометра и межскважинной томографии электросопротивления (ERT), что позволит исследователям лучше понять кинематику ускоряющегося скального ледника и будущую доступность воды.
В настоящее время имеется мало информации о внутренней гидрологии скальных ледников, а данные о температуре в скважинах не позволяют провести различие между льдом и водой. Многие альпийские горные ледники близки к точке таяния. В зависимости от свойств грунта, его засоленности и давления поровой воды значительное содержание незамерзшей воды может сохраняться значительно ниже 0°C. Хотя давление поровой воды регулярно контролируется в других средах, до сих пор не было получено пьезометрических данных в горной вечной мерзлоте, богатой льдом. Теперь Институт снежных и лавинных исследований WSL SLF может представить первые снимки данных, полученных в результате новой комбинации измерений температуры в скважине, скважинного пьезометра и томографии электросопротивления (ERT) в поперечном сечении скважины. Этот новый метод предназначен для изучения изменений, происходящих в ледниках, богатых льдом горных пород, в частности, изменений соотношения лед/вода, путем непрерывных измерений.
Место и методы
Место проведения измерений расположено на ледяном скальном леднике Шафберг, на высоте 2750 м над уровнем моря, над Понтрезиной в Энгадине в восточной части Швейцарских Альп.
В августе 2020 года в существующей скважине для температурных датчиков были пробурены три дополнительные вертикальные скважины, в которые можно было установить новые датчики. Шпуры были заполнены песчано-гравийной смесью для обеспечения контакта между датчиками и стенками шпура и минимизации циркуляции воздуха. На уровне поверхности земли скважины и приборные ящики защищены бетонными камерами с железными крышками.
Скважина В5 расположена в 10 м к северо-западу от В3 и была оборудована 10 пьезометрами 36 Xi W.
Данные пьезометрических измерений показывают развитие во времени эффективного давления, измеряемого на мембране датчика (измеряется относительно вакуума; диапазон давлений 60-230 кПа, точность ±1,7 кПа), в сочетании с 10 датчиками температуры PT1000 (точность ±0,1°C) на глубине от 2,0 до 8,5 м.
Для защиты от оледенения датчики были покрыты вазелином и завернуты в тонкий материал (рис. б). Они подключены к двум блокам KELLER ARC-1 и регистраторам данных 4G, содержащим барометр. Данные собираются ежечасно и ежедневно передаются на облачную платформу данных через сеть мобильной связи.
Первые результаты
Представленный здесь подход, основанный на использовании нескольких методов, представляет собой инновационную комбинацию методик для ледников с богатыми льдом породами и позволяет получить некоторые обнадеживающие первые результаты.
Температурные данные, полученные из скважин B1 и B5, практически идентичны в летний период, однако зимой они существенно различаются в деятельном слое, что свидетельствует о локальных различиях во влагосодержании. Ниже глубины 4,5 м температура грунта в течение всего года близка к 0°С, что затрудняет расшифровку колебаний льда и/или содержания воды по тепловым данным. Поэтому данные непрерывной скважинной ЭРТ дают полезную дополнительную информацию. Данные показывают вертикальные и поперечные изменения удельного сопротивления, что позволяет выявить фазовые изменения в активном слое, а также колебания содержания льда и/или воды в лежащей под ним мерзлоте.
В слоях влажного ила, содержащих кристаллы льда, регистрируются лишь незначительные сезонные изменения удельного сопротивления. Вероятно, это связано с эффектом скрытого тепла. Эти слои подтверждают, что горная мерзлота может содержать значительную долю незамерзшей воды. Наибольшие сезонные изменения удельного сопротивления наблюдаются в богатых льдом отложениях.
Данные пьезометрических измерений указывают на присутствие воздуха, воды или льда и регистрируют сезонные колебания давления во влажных слоях. Все полученные данные свидетельствуют о неоднородности и сезонной изменчивости грунта, что также отражено в различных стратиграфиях скважин.
Будущие результаты
Будущий анализ покажет ежедневные, а также средне- и долгосрочные межгодовые и межсезонные изменения содержания воды в горных ледниках, которые будут соотнесены с метеорологическими переменными. Эта информация будет способствовать устранению пробела в непосредственном количественном определении водности горных ледников и достижению лучшего понимания последствий изменения климата. Представленная здесь инновационная комбинация методов позволит получить ценные сведения о локальных характеристиках субстрата скальных ледников и, благодаря этому, внести вклад в наше понимание факторов, определяющих ускорение кинематики скальных ледников и будущую водообеспеченность этих форм суши.
Благодарность
Институт снежных и лавинных исследований WSL SLF благодарит Роджера Хюбшера, Даниэля Фриза и Сильвана Ахтнича из компании Keller Druckmesstechnik AG за неоценимую помощь в работе с пьезометрами.
Больше оборудования здесь