rodline (rodline) wrote,
rodline
rodline

Categories:

Возможный механизм формирования шельфовой мерзлоты как счётчик времени.

Все материалы, которые мне встречались, определяют возраст мерзлотных толщ в десятки и более тысяч лет. Кажется, эта работа Шполянской Н.А., предлагающая к рассмотрению механизм образования современных мерзлотных толщ, позволяет оценить скорость их нарастания и, как следствие, изменить оценку их возраста. В её работе есть интересные цифры.

Выдержки из этой работы под катом.

Большинство исследователей считают, что криолитозона шельфа сформировалась на суше в холодную эпоху во время глубокой регрессии (отступания) моря, примерно 18—20 тыс. лет назад, а потом была им затоплена во время трансгрессии, закончившейся около 6 тыс. лет назад. Имеются расчеты постепенной деградации реликтовой шельфовой мерзлоты под отепляющим влиянием моря. В то же время существуют данные о современном образовании льдистых донных отложений, например в юго-восточной части Баренцева и юго-западной части Карского морей, а также в отложениях моря
Лаптевых (недавние российско-германские исследования).

И хотя подобные сведения единичны, они показывают, что криолитозона арктического шельфа неоднородна. По-видимому, в ней следует выделять и реликтовую, и современную, вновь образующуюся часть.
...
Для понимания природы шельфовой криолитозоны обратимся к проблеме происхождения мощных залежей подземных льдов, распространенных на древних морских равнинах (бывших шельфах) севера Евразии и обобщенно называемых пластовыми льдами.
...
Пластовые льды наиболее часто встречаются в пределах низменных арктических равнин, где длительное время накапливались ледово-морские осадки (например, Ямало-Гыданская провинция, Чукотка). Менее распространены такие льды в предгорьях и горных долинах и вовсе не встречаются в районах денудации и выноса материала, например, на Кольском п-ове, а также в местах, где осадконакопление проходило в озерноаллювиальном режиме — в пределах Яно-Индигирской и Колымской низменностей.



Вопрос о происхождении и механизме формирования пластовых льдов остается спорным. Одни исследователи видят в них захороненные остатки наземного ледника и считают их свидетельством существования в регионе древнего покровного оледенения, другие считают эти льды изначально внутригрунтовыми образованиями и тем самым признают, что в регионе древнего покровного оледенения не было.

Изучение большого числа разрезов с крупными ледяными залежами, условий их залегания и строения позволяет разделить их на несколько генетических типов.

Эталонный разрез субмаринных льдов.

Большую часть пластовых льдов в пределах морских равнин севера Евразии можно отнести к субмаринным. Впервые они выделены на севере Западной Сибири в сложно дислоцированных морских отложениях. Эти льды занимают обширные площади в пределах п-ов Ямал и Гыдан, низменных прибрежных участков Приуральской части Байдарацкой губы (структурное продолжение Ямала),
а также в пределах Северо-Сибирской низменности, имевшей единую историю с севером Западной Сибири.
...
В обрывах высотой 25—30 м, окаймляющих широкую долину реки, на протяжении десяти километров в разных излучинах реки и ее притоков обнажаются сложно деформированные, очень льдистые иловатые, глинистые и супесчано-глинистые отложения, содержащие пластовый лед одного типа мощностью 5—8 м и протяженностью до 150—200 м. В ледяной залежи ледяные слои толщиной от 10—15 см до 20—30, а нередко и 30—40 см, чередуются с тонкими грунтовыми прослоями толщиной менее 1 см. Слои образуют сложный рисунок — праллельные либо сложно переплетающиеся, иногда горизонтальные, иногда дугообразные или сложной конфигурации полосы, расположенные то вплотную друг к другу, то на расстоянии нескольких сантиметров.



Слоистость залежи явно относится к седиментационному типу. Сами грунтовые прослои тоже не монолитны, а состоят из льда и грунта. Такая толща с равномерным переслаиванием грунта и льда
и высокой согласованностью слоев, наблюдаемой даже при очень сложной их конфигурации, могла сформироваться только в морских, субаквальных (субмаринных, учитывая морской генезис
вмещающих пород), достаточно глубоководных условиях при одновременном промерзании накапливающихся донных осадков. Строение ледяной залежи Тадибеяхского разреза можно считать
эталоном для ледяных тел такого типа.



Подобные толщи с пластовыми льдами описаны во многих районах севера Западной Сибири: на Ямале — оз.Ней-То, пос.Харасовей, мыс Бурунный, пос.Марре-Сале, р.Юрибей и Мордыяха, на Гыдане — реки Юрибей, Гыда, Танама на приуральской и ямальской сторонах Байдарацкой губы.
Судя по условиям залегания и строения, к субмаринным льдам следует отнести пластовые льды и других районов. Так, к северо-западу от Полярного Урала, на юго-западном склоне горного кряжа Пай-Хой, в обрывах морских террас начала позднего плейстоцена встречены подобные льды мощностью до 10 м и более. Во многих районах на Чукотке также вскрыты ледяные залежи крупных размеров (300 м и более в поперечнике), по строению очень похожие на западносибирские: на юго-восточном и восточном побережье Чукотского п-ова, северном побережье о.Аракамчечен, побережье Колючинской губы, мысе Ныгликан, в Мечигменском заливе, заливе Креста (его восточном, близ пос.Конергино, на р.Янрамовей, и западном побережьях), в приморских частях Нижне-Анадырской низменности. Все льды приурочены к ледниково-морским отложениям третьей и четвертой террас, а также встречаются на контактах ледниково-морских суглинков с морскими отложениями второй террасы. Подавляющее большинство выходов подобных льдов имеет складчатое сложение и состоит из серий слоев, иногда согласно залегающих, иногда секущих друг друга. Во
многих случаях льды напоминают по облику дислоцированные горные породы. Прослойки льда
чередуются через 4—7 см со струйками минеральных примесей толщиной 2—3 мм. Такая криогенная текстура могла возникнуть так же, как в залежи на Тадибеяхе — в морских условиях, при развитии подводного оползнеобразования и смятия промерзающих слабо литифицированных донных осадков.


Погребённый глетчерный лёд в низовьях Енисея. Ермаково


Погребённый глетчерный лёд в низовьях Енисея. Иннокентьевское

На краю морского бассейна.

Прибрежно-морские льды встречаются в тех же регионах, что и субмаринные, но приурочены к краевым частям древнего морского бассейна. Таков район Селякина мыса в низовьях Енисея близ пос. Усть-Порт. Здесь в супесчано-песчаных прибрежно-морских отложениях вскрываются льды, по своему виду заметно отличающиеся от вышеописанных. Они представлены серией преимущественно горизонтально вытянутых пластов (от 15 до 60 см толщиной), разделенных между собой грунтовыми прослоями (15—20, иногда до 30 см).
Контакты ледяных пластов всегда четкие, прямолинейные, согласованные с первичной слоистостью вмещающих пород. Сложные дислокации отсутствуют. Это свидетельствует об их формировании в едином осадкообразующем процессе.
Ледяные пласты возникли в результате замерзания надмерзлотного водоносного горизонта, образующегося в основании сезонно-талого слоя (СТС) достаточно обводненных и грубодисперсных осадков. Накопление осадков происходило регулярно в периоды нагонного затопления береговой зоны, СТС вместе с водоносным горизонтом перемещался вверх, формировался новый ледяной пласт. Так снизу вверх нарастала ритмично слоистая ледяная толща. Наличие в этом же горизонте (на участках с более тонкодисперсными отложениями) небольших по размерам, но хорошо развитых полигональножильных льдов — дополнительное свидетельство того, что накопление и промерзание супесчано-песчаной льдистой толщи шло в прибрежно-морских условиях.

Также следует упомянуть про инъекционные льды.



Из всего этого следует, что на современном шельфе тоже должно идти формирование субмаринной криолитозоны и крупных залежей льдов. Установить это в пределах всего арктического шельфа сейчас трудно из-за наличия реликтовой мерзлоты. Но как отличить одну от другой? Мы предлагаем возможный механизм формирования субмаринной мерзлоты, который одновременно может
стать критерием для ее выделения.

Возможный механизм формирования.

До недавнего времени считалось, что донные осадки промерзают только на мелководьях, но никак ни на глубоких участках моря. Однако анализ распределения температуры и солености в донных отложениях показывает, что это возможно.
В арктических морях температура верхнего слоя донных отложений меняется в зависимости от глубины моря. Самая низкая отрицательная температура приурочена к береговой линии. С увеличением глубины до 2 м она растет и достигает 0°С на границе максимальной толщины припайного льда, равной глубине моря. Глубже температура, продолжая повышаться, переходит в положительную и достигает наивысшего значения (2.8°С) в интервале глубин 2—3 м, где лед находится на плаву, что обусловлено значительным летним прогревом мелководья. С дальнейшим
увеличением глубины температура снова начинает понижаться и на глубине 7—8 м вторично переходит через 0°С (–0.2°С). С 16—18 м донные грунты уже имеют устойчивую отрицательную температуру, которая понижается до глубины 30—35 м, где достигает –1.6 — –1.8°С. Отсюда до глубины 200 м наблюдается гомотермия — температура донных грунтов не меняется, полностью отсутствуют и ее годовые колебания. Еще глубже наблюдается плавное повышение температуры до –0.8°С на глубине 500 м. Таким образом, в арктических морях на достаточно большой глубине, примерно от 35 до 200 м, устанавливаются устойчивые отрицательные температуры.
Соленость (минерализация) поровых вод донных осадков тоже меняется по разрезу, уменьшаясь от поверхности дна в глубь толщи осадков. Снижение концентрации хлора с глубиной зафиксировано во многих местах: в Атлантическом океане — на склоне Южно-Американского континента, в северо-восточной части Атлантического океана — на значительном удалении от берега при глубине моря 3000 м (от 19.3‰ в поверхностном слое до 15.1‰ на глубине 4.3 м), в окраинных внутриконтинентальных морях — Черном (от 12.5‰ в поверхностном слое до 9.5 на глубине 4.5 м и до 4—6‰ на 8—10 м) и Балтийском, а также в Норвежском открытом море недалеко от берега.
Из этих данных видно, что изменение солености донных осадков с глубиной — явление общее, повсеместное.
Причина такого распределения солей пока не выявлена. Ряд исследователей считают, что
уменьшение минерализации с глубиной отражает некий ранний геологический этап, характеризовавшийся распреснением морских вод из-за сброса в море пресных талых ледниковых вод.
Однако с этим трудно согласиться.

Во-первых, снижение солености наблюдается и в низких широтах в открытом океане, где ледниковые воды вряд ли могли оказать заметное влияние.

Во-вторых, пресные воды всегда легче, чем соленые, и обычно образуют плавающие по поверхности линзы. Поэтому распреснение морских вод в эпоху дегляциации вряд ли коснулось придонных вод,
а значит, не могло повлиять на минерализацию донных осадков. Даже в не слишком глубокой Обской губе пресные воды р.Оби подстилаются более тяжелыми солеными водами Карского моря.

В-третьих, диффузия, неизбежно возникшая бы при установлении градиента концентрации после дегляциации, как бы медленно она не протекала, за геологические времена должна была бы выровнять соленость осадков. Устойчивый градиент минерализации должен поддерживаться каким-то постоянно действующим процессом.

Думается, что причину рассматриваемого распределения солености в донных осадках можно выявить, обратившись к законам термодинамики необратимых процессов. Дело в том, что исследуемая среда характеризуется одновременно и градиентом концентрации, и градиентом температуры, обусловленным внутриземным потоком тепла. В этом случае помимо обычной «прямой»
диффузии возникает еще и «перекрестная» термодиффузия, поддерживающая перенос вещества под влиянием постоянного градиента температуры. В результате в донных осадках возникает поток ионов солей, направленный противоположно градиенту температуры (эффект Соре).
...
Поровая вода в донных осадках будет распресняться до тех пор, пока в них не создастся стационарный градиент солености.
Почему же уменьшение по разрезу солености поровых вод донных осадков при отрицательной температуре создает возможность промерзания донных осадков на некоторой глубине от дна моря?

Морская вода с соленостью 35‰ замерзает при –1.9°С. Температура верхнего слоя донных грунтов, как видно из фактического материала, равна –1.8°С. Поэтому донные осадки в своей верхней части до некоторой глубины не промерзают. Однако с глубиной соленость снижается, и в некотором интервале глубин (в нашем примере — от 4.5 до 10—11 м) столь заметно, что
температура осадков оказывается достаточной для их промерзания.

По мере накопления осадков этот интервал глубин смещается вверх так же, как и поверхность дна. И в этом же направлении, снизу вверх (одновременно с накоплением осадка), растет мерзлая толща. Имеющиеся данные показывают, что обезвоживание происходит очень медленно. Благодаря этому слабо литифицированные донные грунты высокой влажности после промерзания превращаются в слоистую ледогрунтовую толщу. По мере нарастания мерзлой толщи вверх температура нижнего промерзшего слоя повышается в соответствии с температурным градиентом. Поэтому рост толщи не беспределен и происходит до тех пор, пока температура подошвы нарастающей толщи не достигнет
0°С. В мерзлом состоянии может сохраняться толща осадков не более 40—50-метровой мощности, так как снизу она будет оттаивать за счет внутриземного потока.

И еще один вопрос. Выделяющееся при замерзании поровой воды тепло должно иметь отток в придонные слои воды. Тем не менее, их температура по наблюдениям не повышается, она на этих глубинах всегда одинакова и самая низкая. Дело в том, что в морской воде постоянно идет вертикальное плотностное перемешивание. Поскольку плотность морской воды увеличивается с повышением солености, а при близких значениях солености — с понижением температуры, придонная вода, нагреваясь из-за поступающего в нее тепла фазовых превращений, поднимается вверх,
а на ее место к поверхности дна опускается более холодная (а потому более тяжелая) вода.
В результате в воде достаточно быстро восстанавливается устойчивая плотностная и температурная стратификация.

* * *
Итак, на современном арктическом шельфе идет, по-видимому, образование льдистой криолитозоны. Основной критерий для ее выделения — равномерно слоистая по разрезу криогенная текстура, свойственная толще, промерзающей одновременно с накоплением. Реликтовые же отложения, сформировавшиеся на поверхности суши в субаэральных условиях, ныне должны иметь совершенно иное строение и другой характер распределения льда. Мощность вновь образующихся на шельфе мерзлых пород не должна превышать 50 м, в то время как у реликтовых мерзлых толщ может составлять сотни метров.


Полностью стать можно посмотреть здесь.

Последняя фраза меня очень заинтересовала. То, что у реликтовых мерзлых толщ мощность может составлять сотни метров.

С одной стороны, разве такое было обнаружено хотя бы однажды (сразу отмечу, что не стоит путать отложения с коренной промороженной породой)??
С другой, геологи однажды извлекли из шахты, с глубины триста метров, скелет древней акулы. Шахтеры тогда с удивлением глядели на ученых: «А мы думали, это шайбы такие, вот только дырок для болтов почему-то нет. Мы их и кайлом, и зубилом пробивали – нет дырок, и все тут», – приговаривали они.


Учёные спорят, и для нашего брата добавляется вопросов. Меня радует то, что появляется фактический и теоретический материал для дальнейшей работы.
Tags: Ямал, мерзлота
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 3 comments