Геолого-геофизическая модель слоистой структуры и динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды

Марков, Алексей Николаевич

Автореферат диссертации по теме "Геолого-геофизическая модель слоистой структуры и динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды"

На правах рукописи

МАРКОВ Алексей Николаевич

ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ЛЕДНИКОВОГО ПОКРОВА ВОСТОЧНОЙ АНТАРКТИДЫ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические

методы поисков полезных ископаемых

- 8 ОКТ 2009

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2009

003479322

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Путиков Олег Фёдорович

Официальные оппоненты'.

доктор географических наук

Голубев Владимир Николаевич,

кандидат геолого-минералогических наук

Лейченков Герман Леонидович

Ведущая организация - Геологический институт РАН.

Защита диссертации состоится 21 октября 2009 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 21 сентября 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета канд. геол.-минерал. наук

И.Г.КИРЬЯКОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Планетарные пространно-временные масштабы ледникового покрова Антарктиды, эволюционирующего весь четвертичный и большую часть неогенового периода (около 20 млн. лет) геологической истории, обуславливают необходимость проведения анализа его строения, состава и динамики как одной из оболочек твёрдой Земли.

В тесной взаимосвязи с эволюцией ледникового покрова Антарктиды изменялись климат и водный баланс планеты, во многом определяющие процессы образования осадочных горных пород. Таким образом, эволюцию ледникового покрова Антарктиды следует рассматривать как один из факторов формирования современного геологического облика Земли.

Исследование динамики ледникового покрова Антарктиды является важной задачей, решение которой способствует выявлению особенностей взаимодействия ледникового покрова с подстилающим кристаллическим фундаментом, атмосферой и океаном в прошлом и настоящем, а также дальнесрочному прогнозу изменений параметров ледникового покрова и климата Земли.

Правильное понимание процессов дифференцированного движения ледникового покрова позволит повысить достоверность интерпретации его геофизических исследований, оптимизировать режимы буровых работ во льду, проводящихся по Федеральной целевой программе «Мировой Океан» в рамках подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики», основной целью которой является развитие долгосрочных исследований, обеспечивающих интересы России в Антарктике. Первостепенный ожидаемый конечный результат реализации подпрограммы - оценка перспектив освоения минеральных ресурсов Антарктики, которыми могут являться как скрытые под ледниковым покровом полезные ископаемые, так и сам ледниковый покров, рассматриваемый в качестве уникального, планетарных масштабов месторождения (около 80 % всех запасов) пресной воды.

Обоснование экспериментальных параметров геолого-геофизической трёхмерной геодинамической модели ледникового покрова Антарктиды актуально для решения различных теоретических и практических задач:

- прогноза аварийноопасных участков разреза при бурении глубоких скважин в ледниковом покрове Антарктиды;

- обоснования технологии и техники отбора проб, находящихся под ледниковым покровом при: поиске и разведке полезных ископаемых; изучении фундаментальных закономерностей геологического строения и моделей геодинамической эволюции земной коры Антарктического региона; изучении природы подледниковых водоёмов, находящихся в Центральной Антарктиде;

- определения по многочисленным аналогиям динамики масс, наблюдаемым в ледниковом покрове Антарктиды и геологических оболочках Земли, общих закономерностей геодинамических процессов и построения геодинамических моделей как для земной коры в целом, так и для её отдельных структур (осадочного чехла, метаморфических горных пород, оползней, соляных толщ и т.п.).

Бурение ледникового покрова в последнее десятилетие проводилось многими странами, участвующими в исследовании Антарктиды, однако, экспериментальные представления о его динамике основаны на данных геодезических измерений на поверхности.

Лишь в России, благодаря её мировому лидерству в области глубокого бурения во льду и многолетней инклинометрии системы скважин во внутриконтинентальных районах, силами Санкт-Петербургского государственного горного института, Арктического и Антарктического научно-исследовательского института и Российской (ранее Советской) антарктической экспедиции накоплен уникальный экспериментальный материал, позволяющий определить особенности массопереноса льда внутри ледникового покрова Антарктиды.

Цель работы. Разработка методики комплексной интерпретации результатов инклинометрии изменяющихся во времени осей группы скважин, радиолокационного профилирования, петрографического анализа керна с целью создания геолого-геофизической модели слоистой структуры и динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды.

Основные задачи исследования:

• анализ существующих теоретических представлений о динамике ледникового покрова Антарктиды;

• разработка методики проведения геофизических измерений и интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин для определения параметров геодинамических процессов в ледниковом покрове Антарктиды;

• разработка методики исследования связи параметров петрофизических свойств, вещественного состава с параметрами динамики масс льда в ледниковом покрове Антарктиды;

• исследование связи параметров динамики масс льда и морфологии ледникового покрова Восточной Антарктиды;

• определение типа и параметров модели динамики ледникового покрова на основе экспериментальных данных геофизических исследований (инклинометрии, радиолокации) и петрографического анализа керна.

Научная новизна. По геофизическим данным выявлена структура слоистого распределения параметров динамики внутри ледникового покрова Антарктиды, а также их связь с петрографическими и электромагнитными характеристиками льда, что позволяет по-новому интерпретировать поверхности отражения радиолокационного сигнала как поверхности смещения масс льда.

Основные защищаемые положения:

1. Разработанная методика интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин позволяет определить параметры динамики ледникового покрова Антарктиды, выявить их слоистую структуру распределения и корреляцию между районами наблюдения, а также связь с петрофизическими, петрографическими характеристиками льда.

2. Выявленная согласованность границ слоев, а также связь параметров динамики, электромагнитных, петроструктурных характеристик, вещественного состава позволяет идентифицировать поверхности отражения радиолокационного сигнала в ледниковом покрове Антарктиды как поверхности смещения масс льда.

3. Основанная на экспериментальных геофизических данных геолого-геофизическая трёхмерная модель ледникового покрова Антарктиды характеризуется параметрами слоистой структуры течения масс льда, взаимосвязанными с его петрофизическими, петрографическими характеристиками, морфологией коренного ложа и поверхности, а также эволюцией ледникового покрова.

Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлено путём анализа и обобщения данных теоретических и экспериментальных исследований по динамике и характеристикам ледникового покрова на антарктических станциях Восток, Восток-1, Пионерская, Мирный, проведённых автором лично, а также опубликованных в отечественной и зарубежной литературе. Основные результаты получены на основании интерпретации данных геофизического мониторинга изменяющихся во времени осей системы скважин по разработанной автором методике, позволившей определить параметры динамики ледникового покрова Антарктиды, их корреляцию между различными районами и связь с вещественным составом, петрофизическими, петроструктурными свойствами льда, а также с особенностями морфологии коренного ложа и поверхности ледникового покрова. На основании геолого-геофизических данных и с учётом пространственного расположения системы исследованных скважин разработана трёхмерная геодинамическая модель ледникового покрова Антарктиды.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, обоснованных в диссертации, обеспечивается корректностью использования методик геофизических измерений в скважинах, большим фактическим материалом, полученным автором лично и совместно с коллегами в ходе экспедиций в Антарктиду. При решении задач выявления связи параметров динамики масс льда между различными районами, а также между ними и вещественным составом и петрофизическими свойствами льда корректно применён способ количественных оценок корреляции, вариации и структуры распределения исследуемых параметров. Объективность результатов исследования подтверждается экспериментальными данными различных по времени, условиям и методологии геофизических, петрографических и петрофизических исследований, проведённых в независимых условиях в расположенных на значительном удалении друг от друга районах Восточной Антарктиды.

Практическая значимость исследований: разработана методика интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин; определены параметры динамики масс внутри ледникового покрова Антарктиды; обоснована геолого-

геофизическая трёхмерная геодинамическая модель ледникового покрова Антарктиды; определены глубины слоев, являющихся потенциально аварийноопасными при бурении глубоких скважин во внутриконтинентальных районах Восточной Антарктиды.

С учётом аналогий результаты исследований могут быть также применены для построения геодинамических моделей земной коры в целом и её отдельных структур (осадочного чехла, метаморфических горных пород, соляных толщ), а также для комплексного геофизического мониторинга оползнеопасных районов.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных работ нашли применение в рамках комплексных исследований, проводимых при бурении скважин и исследованиях ледникового покрова Восточной Антарктиды в Советских и Российских антарктических экспедициях на внутриконтинентальной антарктической станции Восток.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, разработке методов и методики их решения, сбору и обработке фактических данных, организации и выполнении теоретических и экспериментальных исследований в полевых условиях на станции Восток в Антарктиде (в 2-х круглогодичных и 3-х сезонных экспедициях за период с 1989 по 2009 гг.).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации доложены на: межкафедральном семинаре в СПГТИ (22 июня 2005 г.); семинаре в Институте географии РАН (03 марта 2006 г.); научной конференции «Россия в Антарктике» (Санкт-Петербург, ААНИИ, 12-14 апреля 2006 г.); научном российско-французском семинаре «ВОСТОК 2007. Результаты и перспективы исследований ледяных кернов, палеоклимата и подледниковых озёр Антарктиды» (Санкт-Петербург, ААНИИ, 2-5 июля, 2007 г.); XIV Гляциологическом симпозиуме (Иркутск, 3-9 сентября, 2008 г.); семинаре в Институте геологии РАН (17 ноября 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе в Докладах межведомственной комиссии АН СССР по изучению Антарктиды (1989 г.),в Докладах Академии наук (2006 г.).

Благодарности. Исследовательская работа начата в 1986 г. в Отделе антарктических исследований (ОАИ) Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова (ЛГИ), возглавляемом проф.

A.М.Шкурко. Общее научное руководство осуществлял проректор по научной работе ЛГИ проф. Б.Б.Кудряшов. Участие в работе принимали профессор кафедры геофизических методов поисков и разведки МПИ ЛГИ О.Ф.Путиков и старший научный сотрудник ОАИ ПНИЛ ГТФ ЛГИ К.В.Блинов, которым автор выражает свою искреннюю признательность.

Экспериментальные материалы для исследования были собраны благодаря многолетней работе по бурению скважин в Антарктиде, начатой ещё в 1960 г. член-корреспондентом РАН И.А.Зотиковым и продолженной в 1970-е годы в ААНИИ под руководством В.А.Морева, при участии Л.М.Саватюгина, а в СПГГИ начатой под руководством проф. Б.Б.Кудряшова и продолжаемой в настоящее время под руководством проф. Н.И.Васильева при участии в различное время буровиков Н.Е.Бобина, А.М.Шкурко, В.М.Пашкевича, Г.Н.Соловьёва, Б.С.Моисеева, Э.А.Загривного, Л.К.Горшкова, В.КЛистякова,

B.М.Шашкина, П.Г.Талалая, геофизиков Р.Н.Вострецова, Д.НДмитриева, В.Г.Терентьева, А.С.Антилова, В.В.Сычёва, Н.Н.Уварова, К.В.Блинова, математика А.Н.Саламатина, которым автор выражает глубокую благодарность.

Автор выражает глубокую признательность Ю.М.Емелину, Т.П.Королёвой, В.Ю.Менькову, Е.М.Морозовой за оказание технической поддержки в период 2000-2009 г.г.

Искренняя благодарность сотруднику отдела географии полярных стран ААНИИ, гляциологу к.г.н. В.Я.Липенкову и сотруднику ПМГРЭ, геофизику к.г.н. С.В.Попову.

Завершающая стадия исследований осуществлена при непосредственном участии научного руководителя доктора геолого-минералогических наук проф. О.Ф.Путикова, зав.кафедрой ГФХМР СПГГИ доктора геолого-минералогических наук проф. А.С.Егорова, при всесторонней поддержке и содействии зав.кафедрой ТТБС СПГГИ доктора технических наук проф. Н.И.Васильева, зам. директора ААНИИ начальника Российской антарктической экспедиции В.В.Лукина, член-корреспондента РАН И.А.Зотикова,

директора Института географии РАН академика РАН В.М.Котлякова, которым автор выражает особую признательность, уважение и благодарность за бесценную помощь и поддержку.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 166 страницах машинописного текста, содержит 48 иллюстраций, 5 таблиц, библиографический список из 54 наименования, включая 20 зарубежных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы, её общую характеристику, цели и задачи исследований и основные защищаемые положения.

Первая глава посвящена обзору и анализу современного состояния проблемы определения параметров и модели динамических процессов ледникового покрова Антарктиды.

Вторая глава содержит изложение разработанной автором методики определения экспериментальных параметров динамики ледникового покрова Антарктиды и анализ их корреляции при сравнении различных районов исследования. Во второй главе обосновывается первое защищаемое положение.

В третьей главе дан анализ связи распределения параметров электромагнитных свойств льда, вещественного состава и динамики масс льда в ледниковом покрове Восточной Антарктиды.

Четвёртая глава содержит результаты исследования связи экспериментально определённых параметров динамики масс льда с морфологическими структурами коренного ложа ледникового покрова Восточной Антарктиды.

В главах 3,4 обосновывается второе защищаемое положение.

В пятой главе представлены результаты исследования динамики фирнового слоя, находящегося на поверхности, в интервале глубин 0-200 м ледникового покрова Восточной Антарктиды.

В шестой главе обоснован выбор параметров геолого-геофизической трёхмерной слоистой геодинамической модели ледникового покрова Антарктиды с учётом экспериментальных геофизических данных о течении льда, связанных с петрофизическими, петрографическими, петроструктурными

свойствами, морфологией районов течения и эволюцией ледникового покрова. В главе 6 обосновывается третье защищаемое положение.

Заключение содержит общие выводы и рекомендации по результатам исследования, основные сведения об экспериментальных параметрах динамики и корректной геолого-геофизической модели ледникового покрова Восточной Антарктиды.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Разработанная методика интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважии позволяет определить параметры динамики ледникового покрова Антарктиды, выявить их слоистую структуру распределения и корреляцию между районами наблюдения, а также связь с петрофизическимн, петрографическими характеристиками льда.

Общий методологический подход к получению и анализу экспериментальных данных о распределении параметров течения льда в ледниковом покрове включает четыре этапа: 1. Определение параметров динамики масс в ледниковом покрове на основе геофизических мониторинговых наблюдений (методом инклинометрии) изменения во времени координат осей системы скважин, пробуренных в ледниковом покрове.

Выполнены регулярные наблюдения в период 1978-1986 г.г. за положением осей четырёх скважин в существенно удалённых друг от друга областях Восточной Антарктиды, вдоль профиля протяжённостью 1402 км.

Скважины находились в районах станций Восток, Восток-1, Пионерская, Мирный (рис. 4) и достигали глубин 2080 м, 450 м, 450 м и 360 м. На основании этих измерений, по разработанной автором методике интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей группы скважин, определены 4 функции Р(Н) изменения с глубиной Н параметров динамики ледникового покрова (рис.1).

Для горизонта наблюдений Н определены Уотн.н-1 и АзМагУотн.н-1 - скорость течения (м/год) и магнитный азимут течения (град.) относительно ближайшего вышележащего (шаг ДН=10 м) горизонта наблюдений, а также Уотнуст и АзМагУотнуст -

скорость течения (м/год) и магнитный азимут течения (град.) горизонта Н (п) относительно дневной поверхности (Н=0 м) (рис. 1).

Азимут (магнитный) вектора скорости течения льда относительно поверхности, градусы

О 90 180 270 360 40 -20 0 20 40 130 230 330 120 160 200 240

Глубина ,м

Модуль вектора скорости течения льда относительно поверхности, м/год О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,5 1 1,5 0 1 2 0 3 6 9 12

О -100 -200

-300

-400 --

-500 --

Глубина,м

станция: ВОСТОК BOCTOK-1 ЩЮИЕРСК'ЛЯ МИРНЫЙ

Рисунок 1. Параметры вектора скорости течения слоев ледникового покрова: (а) - магнитный азимут течения; (б) - скорость течения горизонта наблюдения Н(п) относительно точки устья скважины (Н=0) в различных районах Восточной Антарктиды, определённые по геофизическим наблюдениям в скважинах. Прослеживание границ основных слоев (пунктирные линии) в ледниковом покрове вдоль линии профиля Восток-Восток-1-Пионерская-Мирный, выделенных по результатам анализа характера изменения этих функций

2. Анализ корреляции параметров динамики ледникового покрова.

Дня выявления общего единообразного в разрезе по профилю изменения с глубиной параметров динамики полученные в различных районах зависимости были проанализированы на предмет наличия между ними корреляции.

Предложены и вычислены для всех скважин функции параметров динамики: 1) отражающие относительную изменчивость параметра F(H) на глубине Н; по сравнению с прилегающим 60-метровым интервалом - int(F(Hi)); 2) отражающие корреляцию значений int(F(Hj)) на выделенных горизонтах двух соседних скважин (А и В): Kor min/шах AB int(F(Hj)) - отношение минимального к максимальному из двух сравниваемых значений. Очевидно, что

О < Kor min/max AB int(F(Hj)) < 1 .

В результате анализа для всех смежных районов на профиле Восток - Восток-1 - Пионерская - Мирный выявлено однотипное изменение параметров динамики с глубиной с характерным совпадением локальных максимумов и минимумов, отражаемые существенно высоким значением коэффициента, характеризующего корреляцию, Kor min/max ab int(F(Hj)) = 0,75.

По результатам анализа, проведённого по каждому из параметров вектора скорости течения и их производным, выявлено:

- наличие корреляции функций параметров динамики как между смежными районами, так и для разреза по профилю в целом;

- высокое значение коэффициентов, характеризующих корреляцию функций смежных районов для всех параметров вектора скорости течения льда (в среднем около 0,75);

- немонотонное, однотипное, «слоистое» изменение по глубине функций параметров динамики ледникового покрова для всего исследуемого разреза (рис.1).

3. Трассировка границ слоев ледникового покрова по результатам анализа распределения параметров его динамики.

Для выявления в разрезе исследуемого профиля Восток -Восток-1 - Пионерская - Мирный отдельных слоев, имеющих однотипные внутрислоевые изменения с глубиной параметров динамики, полученные функции были подвергнуты анализу и интерпретации с использованием двух независимых методов (А и Б).

А. Выделение слоев по результатам линеаментного анализа.

На основании результатов линеаментного анализа в разрезе профиля сглаженных поверхностей функций параметров вектора скорости Р(Н), а также различных производных от них, выявлены границы слоев, имеющих характерные однотипные вариации кривизны этих поверхностей. Определённые независимо для каждой из сглаженных поверхностей функций параметров динамики линеаменты границ слоев при проецировании на плоскость исследуемого разреза сгруппировались именно на шести глубинах (около 70, 110, 170, 230,290 и 360 м). Таким образом определена общая для разреза слоистая структура распределения параметров течения масс льда.

Б. Выделение слоев по результатам анализа характера изменения функций параметров динамики.

С целью детализации границ выявленных слоёв для четырёх основных первичных функций параметров динамики (У0ТН.усх,У0та.н-ь АзМагУотн.уст., АзМагУо-пин) проведён анализ характера изменения этих функций.

Критерием выделения локального слоя выбрано разбиение исследуемых функций на отрезки монотонного однотипного распределения в пределах слоя значений параметров динамики льда при отсутствии значимой внутрислоевой дифференциации. Таким образом, границы слоёв выделены как точки перегиба или локального экстремума анализируемой функции (рис.1).

Выявленные независимо для каждой из четырёх основных функций первичных параметров динамики (У0Тн.уст., Уотн.н-ь АзМагУ0ТН.уст., АзМагУотн.н-0 линии границ слоёв однотипных вариаций функций при сведении в плоскости исследуемого разреза сгруппировались аналогично результатам исследований по методике «А».

Таким способом была определена структура ледникового покрова по распределению параметров динамики, а также глубины границ основных слоёв, имеющих характерные однотипные изменения функций параметров вектора скорости течения льда с глубиной в разрезе по профилю Восток-Мирный. 4. Обобщение результатов анализа характера изменения функций параметров динамики ледникового покрова.

В интервале глубин 0-450 м ледникового покрова Восточной Антарктиды по профилю Восток-Восток-1-Пионерская-Мирный по характеру изменения параметров динамики льда выделены 8 основных слоев. На станции Восток подошвы этих слоев отмечены на глубинах 80, 120, 160,200, 240, 280, 320, 380 метров.

Коэффициент, характеризующий корреляцию между функциями параметров динамики разных районов, по всему разрезу профиля Восток - Мирный имеет высокое значение (0,75).

Функции параметров динамики ледникового покрова во всём исследуемом разрезе профиля станций Восток, Восток-1, Пионерская, Мирный до глубин 2080 м, 450 м, 450 м и 360 м соответственно имеют немонотонное, однотипное, послойное изменение.

2. Выявленная согласованность границ слоев, а также связь параметров динамики, электромагнитных, петроструктурных характеристик, вещественного состава позволяет идентифицировать поверхности отражения радиолокационного сигнала в ледниковом покрове Антарктиды как поверхности смещения масс льда.

Для определения связи результатов исследования с уже имеющимися данными слоистая структура ледникового покрова, выявленная на основании анализа лишь параметров динамики, сопоставлена со структурой распределения других параметров вещественного состава и петрофизических свойств льда, зарегистрированных иными геофизическими и лабораторными методами вне рамок проведённого автором исследования. 1. Определение взаимосвязи параметров динамики и электромагнитных свойств ледникового покрова Восточной Антарктиды в разрезе всего профиля Восток-Восток-1-Пионерская-Мирный до глубины около 450 метров

Независимо от проведённого исследования в результате радиолокационного профилирования, выполненного специалистами ПМГРЭ (Попов C.B. и др.), установлено, что изменение по глубине амплитуды отражённого радиолокационного сигнала характеризует ледниковый покров Антарктиды по электромагнитным свойствам как объект, имеющий слоистую, субгоризонтальную структуру.

В результате проведённого автором анализа выявлено соответствие глубин границ слоев, выделенных на основании анализа параметров динамики льда, с глубинами точек перегиба или локального экстремума функций амплитуды отражённого радиолокационного сигнала в каждом из районов Восток, Восток-1, Пионерская, Мирный (пунктирные линии на рис. 2).

Рисунок 2. Сравнение зарегистрированных изменений с глубиной параметров динамики льда (V п-0 модуля и Аз п-0 азимута течения горизонта наблюдений относительно поверхности) (график тёмного тона) и изменений относительной амплитуды отражённого радиолокационного сигнала «Амплитуда» (Попов С.В. и др.) (график светлого тона) для района станции Восток-1

Высокое значение коэффициента, характеризующего корреляцию функций (0,74), и соответствие границ слоев при сравнении параметров динамики и электромагнитных свойств льда выявляют взаимосвязь слоистых структур распределения этих параметров. Это позволяет применять результаты радиолокационного профилирования и для изучения динамики ледникового покрова.

2. Определение связи параметров динамики масс льда и электромагнитных свойств, вещественного состава ледникового покрова Восточной Антарктиды в районе станции Восток до глубины 1920 метров

Независимо от проведённого нами исследования при анализе керна (Пети Ж.Р. и др.) глубоких скважин станции Восток на исследуемом интервале от 0 до 1920 м установлено, что функции параметров вещественного состава льда имеют немонотонное изменение по глубине и характеризуют ледниковый покров Антарктиды как слоистую, субгоризонтальную структуру.

В результате проведённого автором анализа выявлено соответствие глубин границ слоев, выделенных на основании исследования параметров динамики льда, с глубинами точек перегиба или локального экстремума функций параметров его петрофизических свойств и вещественного состава, такими как: электромагнитные свойства; объёмная концентрация микрочастиц пыли; объёмная концентрация газа СО2; объёмная концентрация дейтерия; объёмная концентрация газа СН4 (пунктирные линии на рис. 3).

3. Результаты исследования связи различных параметров

Функции параметров динамики, выявленные на основании проведённого исследования, и функции других параметров петрофизических свойств и вещественного состава льда, зарегистрированные иными методами и независимо от проведённого исследования, имеют существенно высокий коэффициент, характеризующий корреляцию (не менее 0,73), что отражает наличие между ними значимых причинно-следственных связей.

Однотипное для всех исследованных параметров динамики, петрофизических свойств и вещественного состава немонотонное, с аномальными проявлениями на локальных горизонтах изменение по

глубине, комплексно характеризует ледниковый покров Антарктиды

Рисунок 3. Сравнение зарегистрированных функций изменения с глубиной параметра динамики течения льда Аз п-0 (азимут течения горизонта наблюдений относительно поверхности) (график тёмного тона) и объёмной концентрации во льду газа СН4 (Пети Ж.Р. и др.) (график светлого тона) для района станции Восток (на правом графике детализация масштаба функции Аз п-0)

Таким образом, по разработанной методике исследований выявлена значимая связь слоистой структуры дифференциации параметров динамики и петрофизических (электромагнитных) свойств, вещественного состава льда.

3. Основанная на экспериментальных геофизических данных геолого-геофизическая трёхмерная модель ледникового покрова Антарктиды характеризуется параметрами слоистой структуры течения масс льда, взаимосвязанными с его петрофизическими, петрографическими характеристиками, морфологией коренного ложа и поверхности, а также эволюцией ледникового покрова.

По результатам экспериментальных исследований в ледниковом покрове Восточной Антарктиды выявлено, что:

1) параметры динамики масс льда имеют немонотонное, с аномальными проявлениями на локальных горизонтах изменение по глубине (рис. 1);

2) немонотонно, с аномальными проявлениями на локальных горизонтах изменяются с глубиной характеристики петрофизических (рис, 2), петрографических свойств, вещественного состава (рис. 3) льда;

3) корреляция изменения с глубиной параметров динамики масс льда и его петрофизических свойств, вещественного состава имеет значимую величину, отражающую связь между ними (рис. 2,3);

4) дифференциация параметров течения слоев льда обусловлена влиянием различных морфологических структур коренного ложа и

Рисунок 4. Сопоставление направления течения льда с особенностями морфологии ледникового покрова: 1 - направление течения поверхности ледникового покрова относительно коренного ложа (по геодезическим наблюдениям); 2 - направление смещения верхних слоев (в интервале глубин 0-450 м) относительно нижних (по результатам исследования); 3 - изолинии поверхности ледникового покрова; 4 - хребты (ледоразделы) морфологических структур поверхности; 5 - хребты морфологических структур коренного ложа

Таким образом, корректной геолого-геофизической, геодинамической моделью ледникового покрова Антарктиды, основанной на экспериментальных геофизических данных, следует считать трёхмерную модель течения масс льда со слоистой, субгоризонтальной структурой распределения параметров динамики, обусловленной:

- слоистой структурой распределения параметров петрофизических свойств, вещественного состава льда;

- вариациями условий накопления масс льда;

- вариациями морфологических структур районов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика комплексной интерпретации результатов инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин, радиолокационного профилирования, петрографического анализа керна, которая позволяет определить экспериментальные параметры геолого-геофизической модели слоистой структуры и динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды.

2. В результате исследований, на основании экспериментальных геофизических данных в ледниковом покрове Антарктиды выявлен ряд неизвестных ранее свойств и явлений:

- слоистая структура распределения параметров динамики ледникового покрова и её связь с петрофизическими свойствами и вещественным составом льда;

- значимая связь параметров динамики и электромагнитных свойств, обосновывающая необходимость нового подхода к интерпретации данных радиолокационного профилирования и позволяющая идентифицировать поверхности отражения

радиолокационного сигнала в ледниковом покрове Антарктиды как поверхности смещения масс льда;

- связь между параметрами динамики слоев льда и морфологическими структурами коренного ложа и эволюционирующей поверхности ледникового покрова.

3. Для уточнения структуры ледосборных бассейнов с учётом выявленного слоистого изменения по глубине параметров течения льда необходимо бурение и геофизический мониторинг сети неглубоких (до 200 м) скважин на всей поверхности ледникового покрова Антарктиды.

4. Необходимо считать корректной геолого-геофизической геодинамической моделью ледникового покрова Антарктиды трёхмерную модель течения масс льда, имеющую слоистую, субгоризонтальную структуру, с аномальными проявлениями на локальных горизонтах, эволюционирующую во времени и пространстве под влиянием изменяющихся в различных масштабах климатических и морфологических условий накопления и течения масс льда.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Марков А.Н., академик Котляков В.М. Особенности динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды. // Доклады Академии наук, т. 411, № 3, 2006, с. 410-413.

2. Марков А.Н. Особенности корреляции по глубине и простиранию динамических свойств ледникового покрова Восточной Антарктиды в интервале глубин 0-450 метров // М. Материалы гляциологических исследований, вып. 103,2008, с. 11-24.

3.Марков А.Н. Связь динамики льда и слоистой структуры поверхностей отражения радиолокационного сигнала в ледниковом покрове Восточной Антарктиды // М. Материалы гляциологических исследований, вып. 103. 2008, с. 170-176.

4. Марков А.Н. Отличие динамики поверхности ледникового покрова Восточной Антарктиды в интервале глубин 0-200 м от динамики нижележащей толщи льда. // М. Материалы гляциологических исследований, вып. 102,2007, с. 12-22.

5.Марков А.Н., Блинов К.В. Зоны динамической активности в ледниковом покрове Антарктиды в районе ст. Восток. // Антарктика. Доклады комиссии. М., Наука, 1991. Вып 29. С 79-89.

РИЦ СПГГИ. 08.09.2009. 3.471. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геолого-геофизическая модель слоистой структуры и динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды"

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.13

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния проблемы определения параметров и модели динамики ледникового покрова

Восточной Антарктиды.14

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.20

ГЛАВА 2. Интерпретация геофизического мониторинга скважин с целью определения поля параметров динамики в ледниковом покрове Восточной Антарктиды в разрезе профиля протяжённостью около 1400 км).21

2.1. Определение параметров динамики льда на основе геофизических наблюдений изменения во времени координат осей скважин.21

2.2. Анализ корреляции параметров динамики ледникового покрова при сравнении различных районов исследования.30

2.3. Трассировка границ слоёв в ледниковом покрове.37

2.4. Обобщённые результаты анализа структуры распределения параметров динамики в ледниковом покрове.42

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.45

ГЛАВА 3. Исследование связи распределения параметров петрофизических свойств, петроструктурных характеристик и вещественного состава льда, определённых по результатам радиолокационного профилирования и исследованиям керна, с распределением параметров динамики льда, выявленных на основе геофизического мониторинга скважин.47

3.1. Электромагнитные свойства льда, определённые по результатам радиолокационного профилирования, и параметры динамики масс льда в разрезе профиля Восток-Восток-1-Пионерская-Мирный до глубин около 450 метров.47

3.2. Вещественный состав, петрофизические свойства льда, определённые по результатам исследования керна и радиолокационного профилирования, и параметры динамики масс льда в районе станции Восток до глубины 1920 метров.58

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.90

ГЛАВА 4. Исследование связи параметров морфологии ледникового покрова Восточной Антарктиды, определённых по данным радиолокационного профилирования, и параметров динамики масс льда.93

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.99

ГЛАВА 5. Анализ структуры распределения параметров динамики верхнего фирнового слоя до глубины около 120 м, выявленной на основе геофизических исследований скважин.101

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.110

ГЛАВА 6. Обоснование выбора параметров геолого-геофизической модели ледникового покрова Антарктиды на основе экспериментальных геофизических данных.112

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6.156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.158

ЛИТЕРАТУРА.160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Планетарные пространно-временные масштабы ледникового покрова Антарктиды, эволюционирующего весь четвертичный и большую часть неогенового периода (около 20 млн. лет) геологической истории, обуславливают необходимость проведения анализа его строения, состава и динамики как одной из оболочек твёрдой Земли.

В тесной взаимосвязи с эволюцией ледникового покрова Антарктиды изменялись климат и водный баланс планеты, во многом определяющие процессы образования осадочных горных пород. Таким образом, эволюцию ледникового покрова Антарктиды следует рассматривать как один из факторов формирования современного геологического облика Земли.

Исследование динамики ледникового покрова Антарктиды является важной задачей, решение которой способствует выявлению особенностей взаимодействия ледникового покрова с подстилающим кристаллическим фундаментом, атмосферой и океаном в прошлом и настоящем, а также дальнесрочному прогнозу изменений параметров ледникового покрова и климата Земли.

Правильное понимание процессов дифференцированного движения ледникового покрова позволит повысить достоверность интерпретации его геофизических исследований, оптимизировать режимы буровых работ во льду, проводящихся по Федеральной целевой программе «Мировой Океан» в рамках подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики», основной целью которой является развитие долгосрочных исследований, обеспечивающих интересы России в Антарктике. Первостепенный ожидаемый конечный результат реализации подпрограммы - оценка перспектив освоения минеральных ресурсов Антарктики [34], которыми могут являться как скрытые под ледниковым покровом полезные ископаемые, так и сам ледниковый покров, рассматриваемый в качестве уникального, планетарных масштабов месторождения (около 80 % всех запасов) пресной воды.