Неглубокое керновое бурение Казбека

Цели Проекта на 2014 год

План работ на 2014 год

2014 - Проведение экспедиции с целью бурения неглубокой скважины с отбором керна на вершине Казбека; лабораторные изотопные и химические анализы полученных образцов снега и льда; реконструкция временной изменчивости температуры воздуха и осадков для высокогорья Кавказа с сезонным и годовым разрешением за период 2004-2014 гг.; Отбор проб ледниковых кернов, проведение лабораторных анализов имеющихся в наличии образцов снега и льда, отобранных на западном плато Эльбруса в 2004-2014 году; сбор и анализ метеорологической и аэрологической информации для региона исследований; выявление связи изотопного состава снега с температурой воздуха и осадками по данным близлежащих метеостанций; определение средних уровней концентрации и сезонного хода антропогенных и естественных аэрозолей;

Ожидаемые в конце года научные результаты

Результаты лабораторных анализов образцов с вершины г .Казбек, а также имеющихся в наличии образцов снега и льда, отобранных на западном плато Эльбруса в 2004-2013 году; вертикальные профили химического (основные ионы, микроэлементы) и изотопного состава (концентрации дейтерия и кислорода 18) для периода 2004-2013 гг.

Связь изотопного состава снега с температурой воздуха и осадками по данным близлежащих метеостанций.

Средние уровни концентрации и сезонный ход антропогенных и естественных аэрозолей.

Хронология событий переноса пыли для периода 2004-2013 гг.

В результате анализа космических снимков высокого временного и пространственного разрешений, траекторий движения воздушных масс и метеорологических данных будут определены потенциальные источники естественных и антропогенных аэрозолей, содержащихся в снежно фирновой толще Эльбруса.

Полученные в 2014 году важнейшие результаты

Проведены исследования снежных шурфов и кернов из неглубоких скважин, пробуренных на западном плато Эльбруса на высоте 5100 м в 2009, 2012 и 2013 гг. Выполнен анализ образцов снега и льда на содержание основных соединений и микроэлементов, включая тяжелые металлы. В результате переноса минеральных частиц на ледники Кавказа в снежно–фирновой толще формируются отчетливо различимые горизонты загрязнения. Анализ космических снимков SEVIRI, полей оптической толщины атмосферы, траекторий движения воздушных масс и метеорологических данных позволил определить изначальные источники минеральных частиц для событий переноса пыли с высокой точностью (50-100 км). Cоставлена хронология событий переноса пыли. Выявлено, что такие явления происходят на Кавказе 3–7 раз в год. Пыль была принесена на ледники Эльбруса из источников на Ближнем Востоке и Северной Африке. Выполнено первое для Кавказа прямое определение количества твердого вещества, выпадающего из атмосферы на поверхность на больших высотах (264 мкг/см2 в год). Химический анализ образцов снега из видимых горизонтов загрязнения, образовавшихся в 2009 г., показал высокое содержание нитратов, аммония и сульфатов, что связано с поступлением пыли из сельскохозяйственных земель в Месопотамии. Обнаружено повышенное содержание меди, цинка и кадмия по сравнению с естественным фоном, что может говорить о возможном вкладе антропогенных аэрозолей элементов в Северной Африке и Ближнем Востоке, а также о повышенном региональном фоне этих.

Впервые выполнены детальные изотопные исследования ледяных кернов, полученных на Западном плато г. Эльбрус, в том числе неглубоких кернов 2004, 2012 и 2013 гг, а также верхних 106 м глубокого керна 2009 г., которые охватывают период с 1924 по 2012 гг. с сезонным разрешением. Данные об изотопном составе и скорости снегонакопления за каждый из сезонов (зима и лето) были сопоставлены с результатами метеорологических наблюдений в регионе, а также с данными об изменениях циркуляции атмосферы в Северном Полушарии.

Сделаны выводы о том, что аккумуляция в точке бурения коррелирует с количеством осадков к югу от Кавказа во все сезоны, что позволяет восстановить изменения количества осадков в регионе. Механизм формирования изотопного состава снега отличается в разные сезоны. В летний период преобладают местные осадки, поэтому изотопный состав связан с местной температурой за последние 30 лет. Зимой преобладают осадки, выпадающие преимущественно из воздушных масс, сформировавшихся над северной частью Атлантического океана и над Средиземным морем, поэтому изотопный состав определяется циркуляцией атмосферы и коррелирует с индексами циркуляции NAO, NCP и AO. Кроме того, сравнение данных изотопного состава неглубоких кернов выше по течению от точки бурения показал влияние метелевого переноса, когда зимние горизонты частично сдуваются. В тоже время этот фактор не оказывает определяющего влияния на изотопный состав. Полученные результаты будут использованы при интерпретации изотопного состава более глубоких слоёв ледника. Также планируется изучение изменения изотопного состава с внутрисезонным разрешением, после более точной датировки керна.

Летом 2014 года впервые были проведены экспедиционные работы на плато Майли близ вершины Казбека на высоте 4500 м. Было показано, что толщина льда в верховьях ледников Майли и Девдорак достигает 250 метров, при этом условия льдообразования способствуют сохранению климатического сигнала (Рис.1, 2). Согласно измерениям в 18 м скважине температура на подошве активного слоя составляет -2,65 °С (Рис.3). Плато находится в холодной фирновой зоне льдообразования, таяние ограничено. Изотопный сигнал испытывает четкие сезонные колебания, что позволило рассчитать среднюю аккумуляцию за 5 лет, которая составляет 1700 мм в экв. (Рис. 4). Предварительные оценки показывают, что 200 м керн льда с Казбека может содержать данные высокого разрешения за последние 300-400 лет. При этом в самых глубоких частях может быть сохранен гораздо более древний лед. Результаты работ показали, что Казбек, как и Эльбрус, является чрезвычайно перспективной точкой глубокого бурения с целью палеоклиматических исследований. В связи с этим было принято решение о необходимости проведения здесь глубокого бурения. Анализ глубокого керна позволит выполнить заявленные цели инициативного проекта, кроме того, это существенно расширит представления о внутреннем строении и составе ледников Центрального Кавказа в восточной его части. Дальнейшее изучение образцов снега и фирна с Казбека позволит исследовать закономерности формирования изотопного состава осадков с бо́льшим региональным охватом.

 

Рис. 1 Расположения и схема проведения полевых работ 2014 г. на Казбеке.

Рис. 2 Толщина льда - а и подледный рельеф в верховьях ледников Майли и Девдорак (плато Майли) - б.

 

Рис. 3 Плотность, температура и стратиграфия снежно-фирновой толщи на плато Майли, Казбек, 4500 м.

Рис. 4 Изотопный состав снежно-фирновой толщи Казбека

Рис. 5 Измерения температуры на восточной вершине Эльбруса.

 

Также в рамках проекта совместно с сотрудником ИФХиБПП РАН А.А. Абрамовым были впервые получены данные наблюдений автоматической метеостанции на восточной вершине Эльбруса. На рис. 5 показан ход температуры в течение года, а также сравнение полученных данных с результатами реанализа на уровне 500 мб. Среднегодовая температура воздуха составила -16,7 °С. Минимальная температура достигала -39,7 °С. Также были получены данные с датчиков температуры, установленных на фумарольной площадке на кромке восточного кратера. Средняя температура на уровне 40 см составила +27°С.

Степень новизны полученных результатов

Для Кавказа все вышеперечисленные результаты и данные получены впервые. Особую ценность представляют данные анализов образцов с вершины г. Казбек, так как впервые появилась возможность оценить пространственную изменчивость геохимических параметров в толще ледников в пределах Центрального Кавказа.

Сопоставление полученных результатов с мировымуровнем

Подобные работы проводятся в различных горных районах мира. Можно провести аналогию Кавказа с европейскими Альпами. За последние 30-40 лет в Альпах было пробурено несколько десятков керновых скважин. Эти работы позволили установить тренды изменений температуры, осадков, антропогенных загрязнителей, сажи за последние несколько сотен лет. В частности, наиболее известными являются исследования на четырех ледниках, на каждом из которых было получено по несколько кернов льда. Коли Гнифетти, высота 4455 м (Wagenbachetal., 1985, Doscheretal., 1995), Коль дю Дом в массиве Монблана, 4250 м (Preunkertetal., 2000, 2001, Legrandetal., 2013), Грензглетчер, массив Монте Роза, 4200 м (Eichleretal., 2000, 2001), Фишерхорн, 3900 м. (Schottereretal., 1997, 2002; Schwikowskietal., 1999;Jenk, 2006). Исследования ледовых кернов в Альпах внесло существенный вклад не только в теорию науки, но и нашло практическое применение в качестве рядов верификации климатических моделей и моделей переноса аэрозолей. Полученные данные позволили оценить эффективность принимаемых в Европе законов о снижении эмиссии загрязнителей. Данные по керну Эльбруса 2009 г. уже показали различия в данных по трендам изменений аммония и нитратов, связанные с влиянием источников расположенных в странах Восточной Европы и юга России (Mikhalenkoetal., 2014, в печати). Полученные в результаты в ходе выполняемого проекта сопоставимы с результатами ведущих мировых исследований в этой области. Предложенные методы и подходы являются современными и успешно применяются в подобных исследованиях. Только за последний год вышел целый ряд статей посвященных изучению изотопного, химического и микроэелементного состава в образцах снега и льда в различных высокогорных районах, Альпы (Marianietal 2014), Каракорум (Mayeretal 2014), Центральная Азия (Wuetal 2015), ссылающиеся, в том числе и на наши работы по Кавказу, что еще раз подчеркивает актуальность и своевременность исследования.

Методы и подходы, использованные в ходе выполненияПроекта (описать, уделив особое внимание степениоригинальности и новизны)

Методика исследования включала в себя отбор образцов снега и фирна, изотопные и химические анализы, статистическую обработку результатов. Помимо этого применялся набор дистанционных методов и моделей движения воздушных масс. Анализ космических снимков инструмента SEVIRI на борту спутника Meteosat, траекторий движения воздушных масс (модели FLEXTRA и HYSPLIT) и метеорологических данных позволил определить с высокой точностью даты и источники минеральных частиц для событий переноса пыли. Эта методика уже применялась нами для подобных исследований и описана в (Kutuzovetal., 2013).

Образцы снега и льда отобраны во время полевых работ 2009–2013 гг. на Западном плато Эльбруса. Плато площадью около 0,5 км2 расположено в области аккумуляции ледников Большой Азау и Кюкюртлю в интервале высот 5100–5150 м над ур. моря. Предыдущие работы по стратиграфии снежно–фирновой толщи и измерения температуры в снежных шурфах и 22–метровой скважине показали практически полное отсутствие поверхностного таяния (Михаленко и др. 2004). В 2009 г. на плато (43°20’53.9” N, 42°25’36.0” E, 5115 м) были отобраны 182 м керн льда (от поверхности до ложа ледника) и образцы снежного шурфа.

В июне 2012 года в той же точке был отобран керн длиной 12 метров, из которого были взяты образцы снега и фирна для изотопных анализов с интервалом 10 см. В керне было обнаружено 13 визуально различимых горизонтов загрязнения. В 2013 году был получен еще один керн из скважины глубиной 20,58 м. Во время бурения выполнены детальное стратиграфическое описание и измерения плотности. Образцы упаковывали в индивидуальные пластиковые пакеты и помещали в термоизоляционные ящики для последующей транспортировки. Керны льда в замороженном виде были доставлены в Лабораторию гляциологии и геофизики окружающей среды, Гренобль, Франция (LGGE).

Измерения изотопного состава образцов снега и льда были выполнены в Лаборатории изменений климата и окружающей среды (ЛИКОС) ААНИИ на лазерном анализаторе изотопного состава PicarroL1102–i. В данном приборе применяется технология абсорбционной спектроскопии по затуханию света (WSCRDS). Принцип работы прибора и его технические характеристики детально изложены на сайте (www.picarro.com). Точность измерений, значения калибровочных коэффициентов и коэффициентов памяти при анализах изотопов кислорода–18 (δ18O) определяется при регулярных калибровках прибора с использованием изотопных стандартов МАГАТЭ (SMOW, GISP и SLAP (www.iaea.org). Измерения каждого образца выполняли один раз, но отдельные случайно выбранные образцы для проверки правильности работы прибора измеряли дважды. Точность измерений для δ18O составляла ±0,1 ‰.

Анализ образцов снега из шурфа 2009 г. на содержание основных ионов был выполнен на ионном хроматографе DionexDualICS–3000 в чистой комнате в лаборатории г. Гренобль(LGGE). Анализировали содержание катионов (Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Mn2+, Ca2+) и анионов (F, CHOO, Cl, NO3 , SO42−). Содержание микроэлементов, включая тяжелые металлы, определяли в химической лаборатории отдела минералогии, изотопной геохимии и геоэкологии Центрального научно–исследовательского геологоразведочного института цветных и благородных металлов (ЦНИГРИ) методом плазменной масс–спектрометрии на приборе Elan–6100. Перед определением минеральные частицы растворяли полностью смесью кислот (HCl, HF, HNO3) в автоклаве при темпреатуре 300°С.

Образцы снега из шурфа 2009 г. и керна из скважины 2013 г. были проанализированы на содержание и распределение по размерам микрочастиц. Анализ выполнен с помощью счетчика Коултера (CoulterCounterMultisizer 3) в лаборатории LGGE. Пробоподготовку и анализы проводили в чистой комнате класса 100 для минимизации возможного загрязнения образцов. Счетную концентрацию определяляли в диапазоне от 1 до 30 мкм по 300 каналам. Исходя из распределения частиц по размерам, было рассчитано распределение частиц по массе с допущением, что частицы имеют сферическую форму и плотность, равную 2,5 г/см3. Всего из керна 2013 года было проанализировано 267 образцов.

Для выявления возможных событий переноса пыли были использованы данные европейского геостационарного метеоспутника MeteosatSecondGeneration (MSG–2). На борту этого аппарата находится многоканальная камера инфракрасного и видимого диапазона спектра SEVIRI (SpinningEnhancedVisibleandInfraredImager). Спутник MSG –2 располагается над пересечением 0 меридиана и экватора и получает изображения через каждые 15 мин с разрешением 3 км в надире. Изображения SEVIRI для анализа пыли в атмосфере были составлены из трех инфракрасных каналов: 10 (12,0 µm), 9 (10,8 µm), и 7 (8,7 µm). Комбинированные RGB (красный, зеленый, синий) изображения получены как разница между каналами: 10–9 – красный, 9–7 – зеленый и 9 канал – синий. На изображениях пыль имеет оттенки розового цвета, а облака имеют темно–коричневый цвет (Рис. 6). Следует отметить, что влияние пыли на яркостную температуру зависит от особенностей подстилающей поверхности, времени суток, влажности и состава атмосферы, а также от высоты пылевого облака. Снимки получены с вебсайта Европейской организации спутниковой метеорологии EUMETSAT (http://www.eumetsat.int).

Метеорологические условия во время событий переноса минеральных частиц были проанализированы с помощью данных реанализаNCEP/NCAR, полученных с вебсайта Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA; http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/). Обратные траектории движения воздушных масс рассчитаны с помощью модели HYSPLIT, рассматривающей уравнения движенияединичной частицы для каждого события переноса пыли.

Для того чтобы понять механизм формирования изотопного состава снега в точке бурения, результаты изотопного анализа были сопоставлены с метеоданными, полученными в регионе исследований и характеристиками циркуляции атмосферы в Северном полушарии. Устойчивость и пространственная однородность изотопного сигнала на плато подтверждается хорошей сходимостью изотопных профилей полученных по кернам в разные годы (рис. 7). Проведен анализ изотопного состава неглубоких кернов 2013 года пробуренных выше и ниже по течению от точки бурения глубокого керна 2009 г. Сравнение показало хорошее соответствие данных и наличие незначительного переноса снега в зимний период за счет метелей. Выше по течению количество зимнего снега было занижено на 20-30 см в. экв.

Использовались суточные данные метеонаблюдений на 13 метеостанциях, расположенных рядом с Эльбрусом.

Для температуры были посчитаны парные коэффициенты корреляции для каждой пары метеостанций. Корреляция для каждой из пар является значимой. Для нормированных значений температуры были рассчитаны среднегодовые и среднесезонные значения для каждого года.

 

Рис. 6.Анализ события переноса микрочастиц на Кавказ 19–22мая 2009 г. а, б, в, г – RGB изображения спутника SEVIRI (комбинация инфракрасных каналов 8,7мк, 10,8мк и 12,0 мк). Облака пыли имеют розовый или малиновый оттенок, кучевая облачность представлена коричневыми цветами.д – скорость и направление верта на уровне 700 мб 20.05.2009 по данным реанализаNCEP/NCAR (м/с). е – 48 часовые обратные траектории движения. HYSPLIT ансамбль из 27 траекторий, начальная точка – западное плато Эльбруса.

 

При анализе таких же коэффициентов корреляции для осадков было выделено две группы станций. Для станций, расположенных к северу от Кавказа, характерно максимальное количество осадков летом, минимальное зимой. На станциях, расположенных к югу от Кавказа, наблюдается максимум осадков зимой или примерно одинаковое количество осадков во все сезоны. Для каждой из групп были рассчитаны средние нормированные значения для каждого сезона (зима, лето) и года в целом.

При сопоставлении скорости снегонакопления и изменения количества осадков в регионе статистически значимая корреляция обнаружена для станций, находящихся к югу от Кавказского хребта, как для каждого из сезонов (зимой коэффициент корреляции равен 0,44, летом 0,44), так и для года в целом (коэффициент корреляции 0,52). Наиболее высокие значения коэффициентов корреляции наблюдается при сравнении скорости снегонакопления и количества осадков на станции Клухорский Перевал (0,72 во все сезоны). При сопоставлении скорости снегонакопления и количества осадков на станции Клухорский Перевал использовались данные с 1966 по 2013 год. При сравнении были рассчитаны линейные уравнения регрессии для каждого из сезонов. Летом: осадки = 677,6*аккумуляция + 427, зимой: осадки = 587,8*аккумуляция + 504

 

Рис. 7 Сравнение изотопного состава трех кернов пробуренных на западном плато Эльбруса в 2009, 2012 и 2013 г.

Рис. 8. Средние значения за период с мая по октябрь скорости снегонакопления (а), количества осадков (б), изотопного состава (в), индекса NAO (г), нормированной температуры воздуха (д).

Значения количества осадков в период с 1924 по 1965 гг. были рассчитаны по уравнениям регрессии для каждого из сезонов. В некоторые годынаблюдаются несовпадения наблюдённого и реконструированного по скорости снегонакопления количества осадков. Это можно объяснить гляциологическими факторами, такими как метелевый перенос снега. Следует отметить, что в полученных рядах изменения количества осадков отсутствует статистически значимый тренд.

Сравнение скорости снегонакопления и индексов циркуляции показало наличие значимой корреляции в оба сезона. Для аккумуляции и индекса NAO зимой r = -0.34, летом r = -0,25. Подобная зависимость между снегонакоплением и индексом NAO (слабая отрицательная корреляция) для территории Кавказа уже отмечалась в работах, посвящённых исследованиям баланса массы ледников (Shahgedanovaetal 2007). Для данных о скорости снегонакопления, полученных по кернам Эльбруса, значимая корреляция характерна для всего периода исследования. При этом, наиболее высокая аккумуляция наблюдалась в 2010 году, тогда же, когда и наиболее низкое за весь период наблюдений значение индекса NAO.

При сопоставлении изотопного состава (δ18О) и характеристик циркуляции (индексы NAO и AO) статистически значимая корреляция наблюдается только в холодный сезон, r = 0,42 при сравнении с индексом NAO и r = 0,34 при сравнении с индексом АО. Это может быть связано с тем, влияние на климат Европы Северо-Атлантического колебания и Арктического колебания наиболее чётко проявляется в зимние месяцы (Casadoetal., Brunettietal.).

При сравнении изотопного состава и температуры воздуха в регионе статистически значимая корреляция обнаружена для летнего сезона в период с 1984 года по настоящее время. В этот период коэффициент корреляции составляет 0,62.

Летом 2014 года были выполнены экспедиционные работы на плато Майли на Казбеке. Заброска и спуск осуществлялись с помощью вертолета. Была проведена радиолокационная съемка с помощью локатора ВИРЛ-6 с частотой 20 Мгц. Обработка данных выполнена в программе RadexPro. На всех профилях были получены надежные отражения от ложа. Также была проведена съемка высоты поверхности с помощью дифференциальногоDGPS. Эти данные будут использованы для построения математической модели растекания льда на плато, а также для определения изменения высоты поверхности.

С помощью ручного бура Kovaks была пробурена скважина глубиной 18 м. Отобраны образцы снега и льда в пробирки с разрешением 10 см. Далее вплоть до анализов образцы хранились и транспортировались в замороженном виде. В настоящее время все образцы (160 шт) проанализированы на содержание основных ионов и микрочастиц в чистой комнате в лаборатории гляциологии и геофизики окружающей среды, Гренобль, Франция (LGGE).Анализ образцов снега на содержание основных ионов был выполнен на ионном хроматографе DionexDualICS–3000. Cодержание и распределение по размерам микрочастицопределено с помощью счетчика Коултера (CoulterCounterMultisizer 3.Пробоподготовку и анализы проводили в чистой комнате класса 100 для минимизации возможного загрязнения образцов. Счетную концентрацию определяляли в диапазоне от 1 до 30 мкм по 300 каналам.Измерения изотопного состава образцов снега и льда были выполнены в Лаборатории изменений климата и окружающей среды (ЛИКОС) ААНИИ на лазерном анализаторе изотопного состава PicarroL1102–i. В настоявшее время результаты анализов обрабатываются. В ближайшее время по результатам этих работ будет подготовлена статья.

Методы и подходы, использованные в работе соответствуют передовому уровню исследованийв этой области.

 

Рис. 9 Схема работ на плато Майли на Казбеке в 2014 г.

Библиографический список всех публикаций по Проекту,опубликованных в 2014 году, в порядке значимости:монографии, статьи в научных изданиях, тезисыдокладов и материалы съездов, конференций и т.д.

Кутузов С.C., Михаленко В.Н., ШахгедановаM., Жино П., Козачек А.В., Лаврентьев И.И., Кудерина Т.М., Попов Г.В. Пути дальнего переноса пыли на ледники Кавказа и химический состав снега на Западном плато Эльбруса – 3, с. 5–15,

Кутузов С.C., Михаленко В.Н., ShahgedanovaM., GinotP., КудеринаT.M., Лаврентьев И.И. Современный уровень концентрации аэрозолей естественного и антропогенного происхождения в высокогорье Кавказа по данным ледниковых кернов // Гляциологический симпозиум «Роль снега и льда в природе и жизни людей», 15-17 января 2014, Новосибирск. Тезисы докладов участников симпозиума. Новосибирск: 2014. С. 42-43.

Кутузов С.С., Михаленко В.Н., Жино П., Козачек А.В. Изменение концентрации микрочастиц и химического состава фирново-ледяной толщи Эльбруса за последние 75 лет по данным ледниковых кернов // Международная конференция молодых учёных «Изменения климата и природной среды Северной Евразии: анализ, прогноз, адаптация». 14-20 сентября 2014 года. Кисловодск. Сборник тезисов докладов. М.: ГЕОС, 2014. С. 94-95.

KutuzovS., GinotP., MikhalenkoV., ShahgedanovaM. RecordofdustdepositioninCaucasus, RussiafromMt. ElbrusicecoreDUST - 2014. International conference on atmospheric dust.Castellaneta Marina (TA), Italy - 1-6 June, 2014. Book of Abstracts, p 228.

Stanislav Kutuzov, Maria Shahgedanova, Vladimir Mikhalenko, Patrick Ginot, Ivan Lavrentiev and Gregory Popov Characteristics of mineral aerosol deposited on the glaciers of Mt. Elbrus, Caucasus, Russia. European Geophysical Union Annual Meeting.Vienna, 2014.Geophysical Research Abstracts Vol. 16, EGU2014-457, 2014.

 

 


← back