Как вечная мерзлота помогает восстанавливать геологическую историю

Распространение в России льдистых мёрзлых отложений, содержащих повторно-жильные льды, или ледового комплекса, по В.Н. Конищеву.

Вечная мерзлота не только является значительным препятствием для строительства и сельского хозяйства, не только содержит свидетельства прошлого в виде древней воды (льда) или микроорганизмов, но и способна помочь восстановить геологическую историю Земли.

Вечная мерзлота может состоять из двух или более слоев, разделённых немёрзлыми горизонтами. В таком случае она называется слоистой вечной мерзлотой. Горизонт древней или реликтовой мерзлоты, образовавшийся в позднем плейстоцене, был впервые описан в 1957 г. профессором А.А. Земцовым в Западной Сибири. Реликтовая вечная мерзлота встречается довольно далеко к югу от южной границы распространения современной мерзлоты (рис. 1). При оттаивании высокольдистых отложений и залежей подземных льдов, в частности, в тёплый период оптимума голоцена около 4-8 тыс. лет назад, на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах с поверхности образовалась толща талых пород от нескольких десятков до 200 м и более, однако ниже остались мёрзлые породы – так называемая реликтовая мерзлота мощностью от 20 до 500 м. Впоследствии, в результате похолодания, над ними образовалась современная голоценовая мерзлота - так возникают двухслойные мёрзлые толщи. Интересно, что торфяники в Канаде содержат реликтовую (но не плейстоценовую) вечную мерзлоту со времён так называемого Малого ледникового периода из-за сильного охлаждающего влияния торфа. Таким образом, строение мерзлоты указывает нам на особенности тепловой истории Земли.

Рис. 1. Строение переходной области на южной границе распространения вечной мерзлоты (по Б.Н.Достовалову и В.А. Кудрявцеву): 1 – слой сезонного оттаивания (СТС); 2 – вечная мерзлота, или многолетнемёрзлые породы, распространённые ниже слоя сезонного оттаивания; 3 - многолетнемёрзлые породы, распространённые с  некоторой глубины, а также перелетки; перелетки также могут залегать непосредственно ниже СТС; 4 - многолетнемёрзлые породы, залегающие на значительной глубине, так называемые «реликтовые» толщи; 5 – сквозные талики; 6 – несквозной («ложный») талик; 7 – граница распространения многолетнемёрзлых пород.

Деградация и агградация

Интересно, что почти сто лет назад основатель геокриологии М.И. Сумгин развивал теорию деградации (отступания) вечной мерзлоты. Он связывал образование вечной мерзлоты с похолоданием во время ледниковой эпохи и считал её реликтом последней. Сравнивая суровый климат того времени с современным, он полагал, что вечная мерзлота должна оттаивать, отступать к северу, или деградировать. В качестве одного из доказательств Сумгин приводил данные о распределении температуры горных пород по скважине в районе п. Сковородино. Температурные кривые, соответствующие стационарному, деградационному и агградационному (т.е. росту) состоянию вечной мерзлоты, приведены на рис. 2.
Деградация многолетнемёрзлых пород (не содержащие льда засоленные охлаждённые и сухие морозные породы не «деградируют») -- это  сокращение площади распространения и мощности многолетнемёрзлых пород, связанное с изменением климата, условиями теплообмена на поверхности, влиянием деятельности человека. Температуры мёрзлой толщи, в частности, на деградационной кривой, отклоняются в сторону повышения как сверху (в результате потепления климата, в частности), так и снизу, за счёт постоянного теплового потока. Таким образом, по характеру температурных кривых, при прочих равных условиях (в первую очередь, одинаковом изменении теплопроводности горных пород с глубиной), можно судить о динамике мёрзлой толщи и о климатах прошлого.
Известные геокриологи П.И. Колосков, Д.В. Редозубов и другие, наоборот, предполагали наступание (агградацию) мерзлоты. Связан этот процесс, по мнению этих учёных, с современным похолоданием, которое началось несколько тысячелетий тому назад, со времени оптимума голоцена. Агградация вечной мерзлоты -- процесс изменения мерзлотных условий, выраженный в увеличении площади распространения, мощности многолетнемёрзлых пород и понижении их температуры.


Рис. 2. Температурные кривые, соответствующие стационарному, деградационному и агградационному состоянию вечной мерзлоты.

Циклы промерзания и оттаивания

 
Динамика мёрзлых толщ определяется как тепловыми условиями на их кровле и подошве, так и изменением этих условий с течением времени. Это изменение условий определяется, кроме суточных и годовых колебаний температуры, колебаниями с другой частотой, в частности, выделяются периоды 11, 40 (80) и 300 лет, и другие. Сложение колебаний с различными периодами, с учётом затухания амплитуд этих колебаний, даёт сложную картину распределения температур с глубиной в мёрзлой толще (рис. 3), по которой можно судить о климатической и геологической истории. Интересно, что о природе этих колебаний температуры Земли в 40 (80) и 300 лет до сих пор нет единого мнения. Их связывают и с активностью Солнца, и с природными циклами другого происхождения, например, водными или биосферными. При этом одиннадцатилетний цикл, по-видимому, обусловлен солнечной активностью. 


Рис. 3. Затухание амплитуд многолетних колебаний температуры с глубиной в зависимости от периода Т_мн: 1 – 10 лет, 2 – 40 лет, 3 – 300 лет (3-а – смещение фаз – максимумов и минимумов – в глубину за четверть периода), по Б.Н. Достовалову и В.А. Кудрявцеву.

 

Оценка времени промерзания (как и оттаивания) мощных мёрзлых толщ, которая также помогла бы восстановить геологическую историю, оказывается трудной задачей даже при использовании современных компьютеров из-за сильного влияния на результат относительно небольшого изменения параметров расчёта. Таким образом, время промерзания или оттаивания мёрзлых толщ может исчисляться как десятилетиями для первых метров, так и столетиями и тысячелетиями, даже десятками тысячелетий для мёрзлых толщ в сотни метров. 

В качестве одного из примеров расчётов приведём пример оценки сокращения мощности мёрзлых толщ в голоцене в Большеземельской тундре, по геокриологам МГУ Л.Н. Максимовой и Е.Н. Оспенникову (2012 г.). Развитие этой территории связано с изменением природной среды за последние 14 тыс. лет в связи с процессами дегляциации, деградации позднеплейстоценовых мёрзлых толщ и формирования их верхнего, голоценового горизонта. В течение длительного времени (от 85–60 до 25–16 тыс. лет назад) район находился в области образования речных наносов (аллювиальной аккумуляции) в условиях холодного и сухого климата. Условия осадконакопления изменились в связи с потеплением и увлажнением климата на рубеже плейстоцена и голоцена. Изменение температурных условий и динамика мёрзлой толщи представлена на рис. 4. Таким образом, расчёты мощности мёрзлых толщ являются одним из инструментов оценки условий прошлого.

Рис. 4. Изменение климата в голоцене и динамика многолетнемёрзлых пород в Большеземельской тундре: а – гармоники с периодами (тыс. лет): 1 – 40,7; 2 – 19; 3 – 9; 4 – 2; 5 – 1; 6 – 0,5; б – расчётное изменение температуры воздуха t_в (1) и исходная палеотемпературная кривая (2); в – мёрзлые толщи в голоцене (серый цвет), по Л.Н.Максимовой и Е.Н. Оспенникову.

Сегодня такие расчёты выполняются для субаквальной (подводной) криолитозоны Арктики в попытках разобраться в её истории. Пока трудно сделать определённый вывод об условиях образования или деградации субаквальной мерзлоты, потому что мало известно о свойствах горных пород, тепловых потоках и т.д. В некоторых расчётах мёрзлые толщи не существуют там, где они в действительности найдены. 

Неопределённость в условиях и недостаток данных повлекли за собой разные оценки мощности и динамики мерзлоты на арктическом шельфе. Считается, в частности (согласно представлениям Н.А. Шполянской и других), что мёрзлые толщи шельфа образовались в субаэральных условиях (на суше) во время регрессии моря, обусловленной последним оледенением в плейстоцене около 17-25 тыс. лет назад. Затем вечная мерзлота оказалась под водой при трансгрессии, закончившейся примерно 6 тыс. лет назад, и постепенно начала деградировать, что подтверждают расчёты. Есть данные, что деградация вечной мерзлоты на Восточно-Сибирском шельфе за последние 30 лет составляет около 14 см в год. При этом есть свидетельства современного образования мерзлоты, например, в юго-восточной части Баренцева и юго-западной части Карского морей, по данным акад. В.П. Мельникова и других. Поэтому моделирование, чтобы оно могло позволить восстановить ход событий прошлого, должно дополняться палеогеографическими, геокриологическими и геофизическими исследованиями.

Повторно-жильные льды

Очень интересным инструментом восстановления климатической и геологической истории являются повторно-жильные льды. Они распространены в области вечной мерзлоты почти повсеместно. Их образование связано, как правило, с холодными условиями в речных долинах, где происходит ежегодное морозобойное растрескивание мёрзлого массива и периодическое попадание в него талых вод с последующим их замерзанием. В плане повторно-жильные льды образуют полигональную решётку, с размерами, изменяющимися в широких пределах - от нескольких до 100 м и более при числе углов в полигоне от 3 до 6, образуя трещинно-полигональный рельеф. При этом в случае накопления отложений ледяные жилы постепенно растут в глубину, достигая значительной глубины и мощности. Такие льды называют сингенетическими. Пример таких льдов показан на рис.5. В пределах севера Русской равнины повторно-жильные льды имеют эпигенетическое происхождение, т.е. они образовались после накопления отложений, о чём свидетельствует конфигурация жил и строение льда. Начало их образования обычно связывают с историческим похолоданием. В то же время некоторые исследователи отмечают возможность и современного роста повторно-жильных льдов.

   

      Рис. 5. Полигонально-жильные льды (ледовый комплекс) в обнажении Ойгосский яр. Фото М.Н. Григорьева (из статьи Ю.К.Васильчука).

Мёрзлые толщи, содержащие мощные повторно-жильные льды, называют ледовым комплексом (см. иллюстрацию заставки).

Ледовый комплекс, или сильнольдистые сингенетические мёрзлые толщи мощностью несколько десятков метров наибольшее распространение получили во время последнего похолодания в конце плейстоцена (примерно 15-18 тыс. лет н.), когда, по проф. В.Н. Конищеву, произошла регрессия морей Северного Ледовитого океана, осушились большие пространства шельфов моря Лаптевых и других морей, где происходило накопление отложений ледового комплекса. В настоящее время значения среднегодовой температуры этих льдистых мёрзлых толщ на Севере Якутии составляют -12-14°С, а в Центральной Якутии -- около -3-5°С.

Если же повторно-жильные льды протаивают, они замещаются окружающим материалом, образуя псевдоморфозы, или касты. Плейстоценовые касты находят на юге России почти до Чёрного и Каспийского морей, в Польше, на значительной части территории Европы. Это позволяет восстановить область холодного климата и территорию распространения мерзлоты в прошлом. Примером такой реконструкции области распространения древней мерзлоты является схема ниже, где показано развитие мерзлоты в наиболее холодный период плейстоцена около 17-25 тыс. лет назад. Приведённая схема показывает, что, во-первых, вся эта закрашенная сине-красной краской территория была сушей, а во-вторых, на ней были суровые, холодные условия.

 Схема распространения вечной мерзлоты в последний холодный период плейстоцена. 

Недавно учёные новосибирского Института нефтегазовой геологии и геофизики, тюменского Института криосферы Земли, МГУ им. М.В. Ломоносова по содержанию радиоактивных изотопов установили геологический возраст мёрзлых толщ Гыдана и изучили их особенности состава и строения, включая микрофауну и пыльцу растений. Ранее считалось, что в период 170 - 230 тысяч лет назад территорию Гыдана покрывал ледник, но результаты исследований показали, что эти отложения, предположительно, являются морскими, т.е. в это время там было холодное море. Затем -- вероятно, около 70 тысяч лет назад -- море отступило, произошла регрессия, и морские отложения промёрзли.

Некоторые современные публикации учёных геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Пущинского центра РАН, посвящённые бактериям и органике в составе вечной мерзлоты, помогают выяснить происхождение мёрзлых отложений и особенности их накопления.

Таким образом, исследования вечной мерзлоты, занимающей около двух третей территории России, позволяют восстановить условия, существовавшие в прошлом, т.е. являются полезным инструментом в геологии.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Литература:
- Биологические свойства бактерий, выделенных из мерзлых толщ Центральной Якутии.
- Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. Том 1.