ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ
ТАДЖИКИСТАНА

Ссылка
  • Slides
  • Slides
  • Slides
  • Slides
  • Slides
  • Slides
  • Slides
  • Slides
  • Slides

К ГЕОФИЗИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ (2014-11-19)

ОБЪЁМОВ ЛЕДНИКОВ

 Каримов Ф.Х.

Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии

Академии наук Республики Таджикистан, Инженерная академия  Республики Таджикистан

Введение.

      Геофизические методы исследований геологических объектов зарекомендовали себя как весьма информативные, мобильные, экономичные. Перспективы применения наземных геофизических методов связаны с возможностями наиболее детальных оценок форм и размеров ледников, что необходимо для определения запасов природной воды, прогнозирования водности рек, климатических изменений и других процессов, происходящих в окружающей среде, включая опасные для населения и материальных ресурсов. Детализация определения форм крупных горных ледников, например, таких как Федченко на Памире, в Таджикистане, даёт возможность более точно оценивать стратиграфическую динамику их движения и более надёжно прогнозировать последствия этих движений [1-3].

Первые, самые приблизительные данные о ледниках на территории Средней Азии были получены во второй половине 19-го века. Первые представительные данные о ледниках Средней Азии были получены лишь к 30-м годам прошлого столетия [4]. По мере развития техники и технологий размеры ледников уточнялись. В последние годы площади оледенения Центральной Азии оценены на основании спутниковых съёмок с использованием ГИС технологий [4, 5]. Площади ледниковых покровов можно достаточно надёжно определять визуальными методами, однако для определения их объёмов применение визуальных методов недостаточно и необходимо применять геофизические методы зондирования: сейсмо-, магнито-, грави-, электроразведочные, а также электромагнитные. Для определения потоков ледовых масс или объёмов крупных горных ледников, необходимо принимать во внимание стратиграфию их строения и скорости движения. Методы исследований.

В настоящей работе в качестве иллюстрации применения геофизических методов для оценок объёмов ледниковых тел рассмотрены методы высокоточной магнитометрии [3, 6-8]. Для расчётов аномалий локального геомагнитного поля, создаваемых ледниковым телом, применён известный в магниторазведке способ встраивания фиктивного тела, имеющего форму рассматриваемого, но обладающего физическими свойствами вмещающих пород.

В работе рассматриваются методы применения высокоточной магниторазведки для определения геометрических размеров ледников на примере тел в виде цилиндрического и шарового сегментов на основе решения обратных геофизических задач. Ледники в форме цилиндрических сегментов – это приближение для линейно вытянутых горно-долинных ледников, ледники в форме шарового сегмента – приближение для карровых ледников. Величины геомагнитных аномалий на участке расположения ледникового тела во вмещающих породах с известной намагниченностью последних вычисляются аналитически путём решения уравнения Лапласа для магнитостатического потенциала.

Для случая горно-долинного ледника в модели полуцилиндрического сегмента введём цилиндрическую прямоугольную, правую систему координат oxyz. Длинную ось цилиндра совместим с осью oz, ось oxнаправим по горизонтали, проходящей через геометрический центр цилиндра, ось oyнаправим перпендикулярно плоской поверхности ледника. В цилиндрической системе вводится радиальная ось r и азимутальный угол φ . Ледниковое тело располагается в секторе в азимуте φ отφ1 до φ2 (рис. 1).

Untitled

Рис. 1. Схема горно-долинного               Рис. 2. Схема каррового ледника. ледника.

 Поперечный разрез.                                   Поперечный разрез.

         Для каррового ледника выбираем форму шарового сегмента (рис. 2). Начало правой сферической системы координат совместим с центром шара, полярная ось — oz, радиальная ось — oρ, полярный угол θ. Тело ледника располагается в сегменте с полярными координатами отθ1 до θ2 . Все системы координат приняты здесь в соответствии с определениями, данными в справочнике [9].

         Примем вектор намагниченности вмещающих ледники пород J направленным горизонтально, копланарно их внешней поверхности, которую для определённости будем считать плоской (рис.1,2). Очевидно, в общем виде любое направление намагниченности и соответствующих компонент магнитного поля можно представить в виде суммы нормальной и компланарной его компонент.

Вычисления и оценки величин аномалий локального геомагнитного поля.

      Аномалии геомагнитного поля, создаваемые ледниковыми телами, будем находить с помощью решения уравнения Лапласа для магнитостатического потенциала v Δv0 с граничными условиями на поверхностях цилиндра и сферы в моделях горно-долинного и каррового ледников –

Untitled

где соответственно ve — потенциал вне и vi — внутри цилиндра и сфе-

ры, σ — поверхностная плотность магнитостатических зарядов [9, 10].

Пусть вектор намагниченности подстилающих ледник пород направлен горизонтально и компланарно внешней поверхности ледников. В случае модели горно-долинного ледника намагниченность J направлена по оси x, каррового – по оси y. Поверхностная плотность зарядов для цилиндрической модели –

Untitled

Общие решения задач для цилиндрической модели записываются в виде (см., например, [9]) соответственно –

Untitled

где an и bn — коэффициенты рядов, для сферической модели –

Untitled

где cn и dn — коэффициенты рядов, P1n - присоединённые функции Лежандра.

Выражения для магнитных полей можно найти как градиенты потенциалов vi иve . Для простого случая, когда плоская поверхность ледника проходит через геометрические центры цилиндра или шара, выражения для модулей аномалий магнитных полей примут вид:

Untitled

 

— в пространстве вне цилиндра,

— внутри него;

 

 

Тогда для первой гармоники разложения в ряд можно получить следующие выражения для аномалий магнитного поля, создаваемых карровыми ледниками:

Untitled

 

— в пространстве вне круга,

 

Untitled1

 

 

— внутри него;

           На территории Таджикистана вмещающие породы, как правило, слабомагнитны – их остаточная намагниченность и их магнитная восприимчивость обычно не превышают 10-5 и 10-4 единиц СГСМ соответственно. Поэтому, пренебрегая намагниченностью ледникового тела по сравнению с намагниченностью вмещающих пород, в соответствии с полученными выражениями для аномалий магнитных полей можно ожидать величины локальных магнитных аномалий от долей нТ до 10 нТ по порядку величин. Произведя геофизические съёмки и получив значения локального магнитного поля в различных точках на поверхности ледникового тела, путём решения обратной геофизической задачи определяются геометрические характеристики этого тела. Выделение вариаций геомагнитного поля порядка 1-10 нТ выполняется с помощью методов высокоточной магнитометрии (см., например, [6-8]).

Динамика ледника и массоперенос.

            Крупные ледники Центральной Азии находятся в постоянном движении. На территории Таджикистана расположен один из самых крупных ледников Центральной Азии – ледник Федченко, который движется вниз по склону со средней скоростью около 70 см в день, здесь же расположено около 20 ледников с переменным режимом схода, например, ледник Хирс (Медвежий) [11]. Борта ледников движутся с малыми скоростями, а средние части, наиболее утолщённые – с самыми большими (рис. 3).

1235

 

Рис. 3. Линии скоростей движения поверхности ледника (использовано изображение из работы http://popovgeo.professorjournal.ru).

Скорость схода ледников необходимо учитывать в расчётах потоков ледовых объёмов или масс. Физические основы движения горных ледников рассмотрены в работах [1, 2] на примере ледника Федченко. В этих работах показано, как движение крупных ледников происходит в результате давления верхних слоёв на нижние, последние переходят в вязкопластическое состояние и верхняя плита скользит по нижним вязкопластическим слоям. В приближении скользящих по наклонной плоскости плоских слоёв ледника, на основании применения уравнения Навье-Стокса в работе [2] найдена скорость движения слоёв ледника, которая увеличивается по параболическому закону от нуля на поверхности контакта с твёрдыми, подстилающими горными породами до скорости плиты, равной

Untitled

где v — скорость слоя ледника, расположенного на высоте hот плоско-

сти скольжения, Н — толщина верхней плиты, α — угол уклона плоскости скольжения, ρ — плотность и η- вязкость тела ледника, g — гравитационное ускорение.

Приведённое выражение для скорости внешнего, поверхностного слоя ледника Федченко при параметре плотности его вещества 900 кг/м3, коэффициента вязкости 1013 Па·с [12] приводит к значениям, примерно равным 0,7 м/сутки [1,2], которые совпадают с наблюдаемыми значениями [11]. Поверхностной поток массы ледника Федченко проходит от зоны питания до зоны абляции примерно за 270 лет.

Заключение.

Выполненные модельные расчёты и оценки для определений объёмов ледников на основе применения методов высокоточной магниторазведки показывают, что эти методы достаточно представительны для практических применений. Опыт применения высокоточной магниторазведки для поиска месторождений полезных ископаемых и обнаружения тектономагнитных эффектов на территории Таджикистана даёт основания заключить, что благодаря высокой чувствительности методов, представительности и мобильности определений они могут быть эффективно применяться для определения геометрических форм и размеров ледниковых тел.

Комплексирование методов высокоточной магниторазведки с методами гравиразведки, сейсморазведки, электромагнитных зондирований, несомненно, сделает заключения о геометрических характеристиках ледниковых тел ещё более надёжными.

Литература

  1. Karimov F.H. Viscous plastic model for the glaciers flow (Fedchenko’s glacier as an example). Proceedings of the International conference «Mountain hazards 2011», Tajikistan, Dushanbe, 19-21 September 2011, p.115.
  2. Karimov F.H. Stratigraphy of glaciers for reconstructions of the global climate changes. International Conference “Influence of global climate change on the ecosystem of arid and high mountain zone of Central Asia”, May, 22-24 2012, Dushanbe, 313 c pp., p. 100-102.
  3. Каримов Ф.Х. К геофизическим методам определения размеров ледников: возможности магнитометрии. Proceedings of the International conference «Mountain hazards 2013», Kirghizstan, Bishkek, 16-18 September 2013, p. 97.
  4. Climate change and landscape evolution in the Central Asian mountains and surrounding basins: past, present and future. Ed. by W. Zech, I. Roehringer, A. Ni. Volume of Abstracts — Intl. Symposium in memory of the 80th anniversary of the German-Russian Alay/Pamir expedition in 1928. Tashkent — Dushanbe, 2008, 221 p.
  5. Коновалов В.Г. Динамика оледенения Центральной Азии по данным дистанционного зондирования. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, т.9, №1, 2012, с. 281-288.
  6. Ревякин П.С., Бродовой В.В., Ревякина Э.А. Высокоточная магниторазведка. -М.: Недра 1986, 272 с.
  7. Сковородкин Ю.П. Изучение тектонических процессов методами высокоточной магнитометрии. – М.: ИФЗ АН СССР, 1985, 197 с.
  8. КаримовФ.Х. Tectonomagnetic effects in the Tajikistan’s seismic regions. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: математика, информатика, физика. -№3-4. -2007. -С. 162-169.
  9. Корн Г.,Корн Т.Справочникпоматематике. -М.: Наука, 1977, 832с.
  10. Каримов Ф.Х. Решения некоторых задач о перемагничивании ферромагнитных систем с дипольными взаимодействиями. Душанбе: АН ТаджССР, Отд. физ.-мат., хим. и геол.н., 1985, Деп. ВИНИТИ, №3860, 49 с.
  11. Таджикистан. Природа и природные ресурсы. -Душанбе: Дониш,

1982, 602 с.

  1. Геологический словарь. Ред. К.Н. Пфаффенгольц. -М.: Недра,

1993, т.1, 488 с.


Добавить комментарий