Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геотермия мерзлой зоны литосферы Севера Азии

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Геотермия мерзлой зоны литосферы Севера Азии"

:з г,ч Я'1

Академия наук СССР Сибирское отделение Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи

БЛЛОБАЕВ ВЕНИАМИН ТИХОНОВИЧ

УДК 550.836: 551.345

ГЕОТЕРМИЯ МЕРЗЛОЙ ЗОНЫ ЛИТОСФЕРЫ СЕВЕРА АЗИИ

04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссартации на соискание учёной степени доктора геолого-минералогических наук

Якутск 1989

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения Сибирского отделения All СССР.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, профессор Н.II.Романовский

доктор географических наук, профессор Г.М.Фельдман

доктор геолого-минералогических наук Ю.Л.Шур

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии Министерства геологии СССР (ВСЕГШ1ГЕ0)

Защита состоится " мая Х989 г. в 9-00 на заседании специализированного совета по мерзлотоведению Д 003.48.01 при Институте мерзлотоведения СО АН СССР по адресу: 677010, Якутск, 10, Институт мерзлотоведения СО АН СССР, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения СО АН СССР.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба напразлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан 1989 г.

Ученый секретарь спецсовота, к.г.-м.н., с.н.с.

С.И.Заболотник

| ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

гцнн( Актуальность работы. Новые научные концепции развития ""Земли, основанные на фундаментальной теории тектоники лито-сферных плит, вызвали огромный интерес к энергетике геодинамических процессов. Поэтому в последние два десятилетия изучение различных аспектов геотермических проблем приобрело исключительное значение в исследовании тектоносферы Земли. Широкий научный интерес к геотермическим результатам, несущим прямую информацию о происходящих и происходивших геологических событиях в недрах Земли, проявляется сейчас в большинстве наук о Земле и служит мощным стимулом для развития геотермии.

В геокриологии геотермическим исследованиям традиционно принадлежит ведущая роль, так как глубокое промерзание земной коры является геотеплофизическим процессом. Последние годы характеризовались интенсивным накоплением геотермических данных, полученных в области развития криолитозоны. Возникла насущная необходимость выработки на их основе новых теоретических представлений о закономерностях формирования теплового режима и промерзания верхней части земной коры, а также рассмотрения некоторых аспектов взаимосвязи глубинных и поверхностных процессов развития и эволюции криолитозоны.

Вопросы динамики теплового состояния криолитозоны стали актуальны в последние года в связи с тем, что все возрастающее глобальное и региональное антропогенное воздействие на геосистему в наибольшей степени отражается в температуре высоких арктических широт. Это требует разработки соответствующих методов геотермического контроля и интерпретации геотермических данных, основанных на современных теоретических представлениях.

Цель и задачи работы. Целью работы являлось изучение процессов и создание теоретических основ формирования отрицательной температуры поверхности Земли и теплового поля криолитозоны севера Азии и разработка методов исследования ее эволюции.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Разработать нетрадиционную концепцию теплообмена в системе поверхность Земли-атмосфера, основанную на представлениях б квазиравновесном тепловом состоянии тропосферы и о трехмерности теплопереноса в ней, как главных факторах существования криолитозоны и региональной неоднородности ее развития.

2. Провести анализ формирования температуры верхнего слоя горных пород в зависимости от климатических, ландшафтных, поверхностных и литогенных факторов с учетом многосторонности их взаимосвязей и стремления к саморегуляции общего энергетического состояния слоя.

3. Обобщить и систематизировать все имеющиеся материалы по теплофизическим свойствам горных пород, установить их зависимость от плотности, влагоемкости, минералогического состава, возраста и фазового состояния в них воды.

4. Выявить региональные закономерности глубокого промерзания земной коры в пределах основных литосферных блоков криоли- • тозоны, характеризующихся разным внутриземным тепловым потоком. Установить связи внутриземного теплового потока со строением, структурой и составом земной коры и верхней мантии и с геодинамическими и геотектоническими процессами.

5. Разработать метод палеогеокриологических реконструкций, основанный на современных геотермических данных о тепловом состоянии нестационарных мерзлых толщ, и проследить с его помощью эволюцию криолитозоны в верхнем плейстоцене и голоцене.

6. Наметить направления развития криолитозоны в ходе естественного процесса развития геосистемы, а также при региональных и глобальных антропогенных влияниях.

Научная новизна. В работе формулируется и обосновывается новое научное направление в мерзлотоведении - геотермия мерзлой зоны литосферы, изучающее закономерности формирования теплового поля криолитозоны и глубокое промерзание земной коры под влиянием внешних и внутренних источников тепла Земли и изменяющихся климатических условий в пределах разных геолого-тектонических структур.

На основе представлений о квазиравновесном термодинамическом состоянии системы атмосфера-поверхность Земли и трехмерности процессов теплопереноса исследованы процессы формирования температуры поверхности Земли в высоких широтах и показано

огромное влияние циркуляционных атмосферных процессов на глобальное распределение криолитозоны и региональные особенности ее температурного режима.

Анализ современных радиационно-циркуляционных моделей атмосферы позволил дать сравнительную количественную характеристику влияния главных климатических факторов и орографии на температуру поверхности Земли и связать ее с общим энергообменом в системе атмосфера-поверхность Земли.

На новой аналитической основе изучены процессы формирования температуры верхнего слоя горных пород. С помощью эффективных приближенных методов получены простые решения, связывающие все природные параметры в единый взаимосвязанный ансамбль, учитывающий влияние на температуру горных пород снега, напочвенных покровов и растительности.

Введено и обосновано понятие средней региональной температуры горных пород. Даны методы ее определения для районов с контрастными ландшафтными, геоморфологическими и другими тем-пературоформирующими условиями.

Построена карта средней температуры горных пород криолитозоны севера Азии масштаба 1:10 ООО ООО.

Систематизированы и обобщены все имеющиеся данные по теп-лофизическим свойствам осадочных, метаморфических и магматических пород криолитозоны севера Азии. Установлены зависимости теплофизических свойств осадочных горных пород от плотности, влагоемкости петрографии и возраста.

Впервые исследованы региональные закономерности поля внут-риземного теплового потока криолитозоны Азии. Установлена связь величины теплового потока со структурой и строением земной коры и верхней мантии, с тектонической и геодинамической активностью ее отдельных блоков.

В работе представлена оригинальная карта тепловых потоков Сибирской платформы и Верхояно-Чукотской складчатой области, выполненная в масштабе 1:10 ООО ООО.

Доказано определяющее влияние внутриземного теплового потока и его пространственного перераспределения под влиянием тепловой неоднородности поверхности, рельефа и структурно-ли-тологических комплексов на глубину промерзания земной коры.

Построена карта стационарной криолитозоны севера Азии.

5

Впервые создана методика количественной реконструкции па-леогеокриологических условий: палеотешературы, палеомощности и скорости изменения их, основанная на современных геотермических данных области с нестационарной мерзлой толщей. Она позволила определить палеоклиматические условия верхнего плейстоцена и голоцена.

Дан анализ развития антропогенного влияния на температуру поверхности Земли на ближайшее будущее и реакции теплового состояния криодитозоны на меняющуюся природную обстановку.

Практическое значение. Материалы и результаты, составившие основу работы, были получены в процессе выполнения заданий общесоюзной комплексной научно-технической проблемы 0.50.01, в течение последних четырех пятилеток. В 1970-1975 годах выполнялась тема 0.50.227 а "Исследовать связи теплового потока со строением и развитием тектоносферы и геофизическими полями с составлением карт теплового потока и геотемпературного поля в различных тектонических структурах СССР". (Постановление ГКНТ № 400 от 15.10.70). В 1976-1980 годах работы велись по теме 01.03.Hie "Выяснить роль теплового поля Земли в геодинамике в зонах глубокого промерзания земной коры". (Постановление ГКНТ J6 415 от 16.II.76). В 1981-85 годах исследования выполнялись по теме 05.01.HII "Разработать методы составления геотермической модели, построить геотермическую карту Северной Евразии масштаба 1:5 ООО ООО". (Постановление ГКНТ, Госплана СССР и АН СССР № 516/272/74 от 29.12.81). В 1986-1988 годах работы велись в рамках темы 02.0I.H22 "Разработать геолого-геофизическую модель кондуктивного и конвективного выноса глубинного тепла в зонах региональных и локальных аномалий геотермического поля литосферы". (Постановление ГКНТ и АН СССР $ 573/137 от 10.II.85). Всё материалы по этим работам после обобщения и сдачи головной организации считались внедренными.

Они были использованы при составлении двух вариантов карт теплового потока Сибири (1982, 1985), вошли, как часть, в "Карту теплового потока Северной Евразии" (1986). На их основе были построены геотермические модели земной коры по профилям Урал-Охотское море (1985) и Диксон-Байкал (1987).

Геотермические исследования в глубоких скважинах велись в непосредственном контакте с геологическими экспедициями и гор-

но-добывающими предприятиями. Результаты работ в виде обработанных данных или в виде обобщающих отчетов передавались ПГО "Якутскгеология", "Ленанефтегазгеология", "Енисейнефтегазгео-логия", "Востсибнефтегазгеология", "Дадьвостуглеразведка", "Читагеология". Теоретические аспекты работы вошли в учебные пособия по мерзлотоведению (Общая геокриология, 1974).

Данная работа дает основу для характеристики и построения теплового поля месторождений по минимуму фактического материала. Различного рода теплотехнические расчеты нуждаются в нетрадиционных методах и исходных данных о температурных полях и теплофизических свойствах горных массивов, которые можно найти в работе.

Исходные материалы и личное участие автора. В основе работы лежат фактические материалы геотермических исследований, проведенных в разные года на территории развития криолитозоны как самим автором, так и сотрудниками руководимой им лаборатории геотермии. В последнем случае использовались только первичные данные. Их обработка, интерпретация и анализ проводился автором.

Широко были использованы литературные данные при анализе процессов теплопереноса в системе поверхность Земли-атмосфера, полученные американскими и японскими учеными.

При решении задач на ЭВМ автору принадлежала математическая формулировка задач, обеспечение исходными данными и конечный анализ решений. В работе использованы более 2000 данных по тепловым свойствам горных пород, данные по более чем 1100 скважинам в 500 пунктах измерения температуры горных пород и по 145 пунктам измерения и расчетов внутриземного теплового потока, обработаны данные о физических параметрах снежного покрова около 300 метеорологических станций.

Апробация работы. Основные результаты исследований и теоретические положения работы были представлены на следующих союзных совещаниях: на УШ Всесоюзном межведомственном совещании по геокриологии (Якутск, 1966 ^ на Всесоюзном научном совещании по мерзлотоведению (Москва, 1970); на Всесоюзной конференции по мерзлотным почвам (Якутск, 1972); на Всесоюзной конференции по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1974); на Совещании по организационным и техническим проблемам, связан-

ным с изысканиями .для строительства БАМа (Чита, 1976); на П Всесоюзной конференции по проблемам БАМа (Иркутск, 1977); на Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири (Новосибирск, 1980); на Всесоюзной конференции по проблемам геокриологии Забайкалья (Чита, 1984); на расширенных заседаниях Научного Совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1984; 1986; 1987) и на международных конференциях: на П Международной конференции по мерзлотоведению (Якутск, 1973); на ХХШ Международном географическом конгрессе (Ленинград, 1976); на Ш Международной конференции по мерзлотоведению (Эдмонтон, Канада, 1978); на УП совещании Европейского геофизического общества (Будапешт, 1980); на XI Конгрессе ИНКВА (Москва, 1982); на Международном симпозиуме социалистических стран "Геотермические исследования и использование термальных вод в народном хозяйстве" (Сухуми, 1985); на Международном симпозиуме "Внут-риконтинентальные горные области: геологические и геофизические аспекты" (Иркутск, 1987).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе в центральных издательствах 36 работ. Среди них 3 монографии, написанные в соавторстве и 4 статьи, изданные за границей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем работы 4:13 страниц, в том числе: текста - 265, иллюстраций - 85, таблиц - 48, список использованной литературы - 458 наименований.

Считаю своим долгом поблагодарить коллег, которые, работая в экстремальных условиях, помогали собирать основной фонд фактических данных и обобщать его - Б.В.Володько, В.Н.Девяткина, М.Н.Железняка, А.И.Левченко, В.Г.Русакова, Р.И.Гав-рильева, Н.Д.Костюнина, И.Д.Никифорова, Л.И.Шипицыну. Ценные советы и замечания М.К.Гавриловой, Н.М.Давиденко, Г.М.Фельдмана, С.М.Фотиева способствовали улучшению содержания работы. Написанием этой работы автор обязан П.И.Мельникову, который постоянно поддерживал и создавал благоприятные условия .для исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Исхода из понятия мерзлых пород, как горных пород, содержащих в своем составе помимо .других минералов еще минерал -лед, существование которого возможно только при отрицательной температуре, делается вывод о приоритетности в геокриологии исследований теплового режима, его динамики, процессов фазовых превращений в горных породах в их естественном залегании.

Наиболее крупный вклад в развитие температурных исследований криолитозоны в дореволюционный период внесли А.Эрман, А.Ф. Миддендорф и Л.А.Ячевский. В советское время М.И.Сумгин в 1927 году подвел итог всех геотермических измерений, который указывает на их ограниченное число и на господство исключительно визуального метода обнаружения и изучения мерзлых пород. По-настоящему научно тепловой режим криолитозоны стал изучаться только 30-40 лет назад. Толчком ему послужили работы В.А.Кудрявцева. В развитие представлений о геотермии мерзлых толщ внесли вклад А.Т.Акимов, И.Я.Баранов, В.В.Баулин, Г.Д.Гинсбург, Н.Ф. Григорьев, Н.С.Иванов, А.И.Калабин, П.И.Мельников, И.А.Некрасов, В.М.Пономарев, Д.В.Редозубов, А.Л.Чеховский, А.А.Шарбатян, П.Ф.Швецов, Н.А.Шполянская.

Становление геотермии, как самостоятельного направления в рамках геокриологии, стало возможным только после разработки методов и аппаратуры геотермических измерений в скважинах, пробуренных в мерзлых породах, в которой приняли участие кроме автора Б.В.Володько, А.В.Голубев, В.Н.Девяткин, Н.А.Козлов, И.М. Кутасов, А.И.Левченко, В.Г.Русаков, С.В.Шимановский. Информативность геотермических исследований намного увеличилась после начала в 70-х годах измерений «твнлввых потоков в талой и мерзлой зонах, ставших возможными в результате развертывания работ по изучению тепловых свойств горных пород.

В результате стало возможным говорить о появлении геотермии мерзлой зоны литосферы, имеющей свои объекты и процессы исследования, свой метод исследования, необходимую специальную приборно-аппаратурную базу и апробированную теорию интерпретации, основанную на аналитическом аппарате математической физики в сочетании с ЭВМ.

Глава I. Формирование температуры поверхности Земли

Температура горных пород формируется в процессе сложйого теплообмена поверхности Земли с атмосферой. Отрицательной она становится при определенном энергетическом уровне теплообмена в атмосфере и горных пЬроцах.

Теплоперенос в свободной тропосфере осуществляется в миллион раз быстрее, чем в горных породах, поэтому тропосферу можно рассматривать, как квазиравновесную термодинамическую систему с очень высокой скоростью стабилизации теплового состояния. Равновесное тепловое состояние влажной тропосферы соответствует стабильному существованию высотного градиента температуры, равного 5,8 К/км. Превышение реальным градиентом этого значения приводит к интенсивному турбулентному теплопереносу, который не позволяет системе сколько-либо заметно отклониться от равновесного состояния. Уменьшение его сопровождается тепло-переносом значительно меньшей интенсивности и образованием сверхустойчивого состояния. Эти особенности определяют температурные поля в системе атмосфера-земная поверхность в холодный и теплый сезоны года.

Температура земной поверхности представляется, как функция равновесного теплообмена с тропосферой. При увеличении или уменьшении поступления энергии на поверхность ее температура повышается или понижается до тех пор, пока теплоотдача не сравняется с аккумулированным теплом. Отсюда следует вывод о пропорциональности средней годовой температуры земной поверхности сумме энергетических источников, действующих на поверхности и в тропосфере.

В криолитозоне действуют три вида источника тепла: поглощенная солнечная радиация, внутриземной поток тепла к поверхности и тепло, приносимое меридиональными и зональным циркуляционными потоками в виде энтальпии и в виде скрытой теплоты конденсации паров в тропосфере. В мерзлотоведении традиционно рассматривался только один источник тепла - солнечная радиация. Вследствие этого процессы теплообмена принимались одномерными, направленными только по вертикали. Анализировалась только ра-диационно-турбулентная одномерная модель теплообмена в системе земная поверхность-тропосфера.

В работе качественно рассматривается трехмерная радиаци-онно-циркуляционная модель этой системы для криолитозоны. Показывается, что циркуляционный привнос энергии в криолитозону составляет в среднем за год 20-30$ от радиационного баланса. За счет этого сре.днеширотная температура воздуха и поверхности примерно на 20°С выше, чем она была бы в отсутствии циркуляции. Особенно сильное влияние адвекции наблюдается в холодный период года, когда потери тропосферой тепла излучением компенсируются в основном нерадиационными источниками.

Из трех основных источников тепла наименьшим является внут-риземной тепловой поток, величина которого на .два-три порядка меньше остальных. Поэтому он не оказывает практического влияния на формирование средней годовой температуры поверхности Земли.

Проведен количественный анализ зависимости температуры земной поверхности от величины радиационного баланса для криолитозоны. Эта зависимость оказалась практически одинаковой для Сибири, Северо-Востока СССР и Северной Америки. На севере Азии температура земной поверхности меняется на 1°С при изменении радиационного баланса в среднем на 2,0 Вт/м^ (в Западной Сибири - на 2,2 Вт/(м%), на Северо-Востоке - на 1,9 Вт/См^К). Переход температуры поверхности через 0°С осуществляется при значении радиационного баланса 45-50 Вт/м^.

Для выяснения степени влияния различных атмосферных факторов на температуру земной поверхности были рассмотрены равновесные радиационно-циркуляционные модели атмосферы, построенные в США Вашингтоном, Манабе, Меллером, Сомервиллом, Стрикле-ром, Смагоринским, Филлипсом, Такахаси, Касахарой, Катаямой и др. Первичная Земля без атмосферы характеризовалась отрицательной температурой поверхности повсеместно. Появление влажной, но не насыщенной атмосферы, привело к повышению ее температуры примерно на 20-30°С.

Нормальная современная облачность понижает температуру поверхности примерно на 12°С. Испарение с поверхности Земли очень слабо влияет на температуру, понижая ее всего на 1-2°С в региональных масштабах. Процесс испарения воды с поверхности и конденсация ее в тропосфере представляется простым переносом тепла из одной части системы в другую без привноса или выноса

энергии за ее границы. При неизменности энергии системы не может меняться и ее температура, она может лишь несколько отличаться в разных частях системы из-за квазиравновесности теплового состояния.

В криолитозоне действуют циркуляционные глобальные системы .двух типов: меридиональная и зональная. Первая связана с наличием меридионального градиента температуры экватор-полюс, вторая - с существованием региональных термобарических неодно-родностей, возникающих из-за разностей температуры материков и океанов и горного рельефа. Меридиональный теплоперенос осуществляется замкнутыми глобальными вихрями. В криолитозоне смена вихрей происходит в районе широты 65°. К югу располагается умеренная область западного переноса, севернее - арктическая область восточного переноса. Направление 'циркуляции не зависит от сезонов года, но летом перенос воздушных масс намного слабее, чем зимой.

Меридиональный перенос нарушает строгую широтную зональность температуры земной поверхности криолитозоны, понижая ее в восточном направлении.

Зональный перенос воздушных масс на севере Азии происходит под воздействием термобарических градиентов между материком и океанами. Он направлен вдоль широтных зон, но отклоняется к северу или югу в зависимости от расположения барических экстремумов. В системе широтных термобарических неоднородностей, определяющих зональный циркуляционный режим в криолитозоне, основными являются Исландский и Алеутский минимумы давления, зимний Азиатский и летний Арктический максимумы давления. Эти крупнейшие центры погоды на Земле кольцом окружают север Евразиат-ского континента. Зональный перенос разнонаправлен зимой и летом. Область летом находится в сфере арктического влияния. Северо-восточная окраина Азии испытывает воздействие холодного восточного переноса. В Приамурье и Забайкалье проникают мус-сонные ветры. Над большей частью средней Якутии зональная циркуляция летом минимальна.

Зимой мощность барических образований становится максимальной, поэтому циркуляционные процессы предельно активизируются. Их направление определяется положением Исландского и Алеутского минимумов и Азиатского максимума. В Западной и Восточной

12

Сибири зональный перенос налагается на западный и создается мощный поток влажных воздушных масс с запада и юго-запада, который затухает по мере движения на восток.

Наименьшая активность атмосферы наблюдается в области развития Сибирской ветви Азиатского антициклона.

Зимой любые внедрения воздушных масс в область развития мерзлых пород приносят тепло и повышают температуру земной поверхности .

В Азии на траекторию движения воздушных потоков большое влияние оказывает орография. Ее роль проявляется двояко: в отклонении потоков за счет фронтального действия и в возмущении их высотной структуры, определяющий положение барических центров. Криолитозона блокирована от меридионального переноса ши-ротно вытянутыми высокими горными системами Азии. Это приводит к ослаблению западного переноса и формированию севернее их устойчивых антициклональных зон высокого давления.

Анализ циркуляционных моделей атмосферы Минца, Вашингтона и Касахары показывает, что современная орография Азии коренным образом меняет динамику атмосферы и способствует более глубокому охлаждению высокоширотных зон материка.

Ослабление общей циркуляции атмосферы над севером Азии способствует образованию и существованию в течение холодного периода года инверсионного распределения температуры в приземной тропосфере.

В приполярных районах Западной Сибири глубина инверсии равняется в январе 6-8°С, а максимум температуры располагается на высоте 1,2-1,5 км. На севере Якутии глубина инверсии в равнинных районах'достигает Ю-12°С, а в горах - 16-20°С. Высота расположения максимальной температуры инверсионного слоя на равнинах равна 1,5-2,0 км, в горах она поднимается до 2,0-3,0 км. Устойчивая инверсия отсутствует в широкой полосе тихоокеанского побережья. В Забайкалье развита только орографическая инверсия, а влияние радиационного выхолаживания проявляется только в уменьшении вертикального градиента температуры. В среднегодовом поле температуры тропосферы инверсия проявляется только ' в отдельных районах Якутии и в горной области Северо-Востока. В других районах зимняя инверсия приводит к заметному и часто значительному уменьшению среднего годового градиента температуры в приземной тропосфере.

Существование зимней инверсии температуры воздуха приводит к понижению средней годовой температуры земной поверхности на 2,0-3,0°С.

Нерадиционные источники тепла оказывают решающее влияние на формирование температуры земной поверхности в зимний период. Зимой в Якутии температура ниже средней широтной на 16-24°С, а в Западной Сибири и Чукотке на 3-6°С. Это говорит о значительном ослаблении влияния циркуляционных процессов с запада на восток до долины Лены и с востока на запад до Омолона.

Таким образом, температура земной поверхности криолитозоны является продуктом климатических условий, которые складываются под влиянием радиационных и циркуляционных источников тепла на поверхности и в атмосфере и их пространственного перераспределения под воздействием неоднородностей геолого-географической оболочки Земли. В результате суммарного влияния их складывается сложная региональная картина распределения температуры . на поверхности. Южная граница криолитозоны совпадает в Западной и Восточной Сибири с температурой -7-8°С, в Якутии —6—7°С, на Чукотке и в Забайкалье —4—5°С.

Глава П. Формирование температуры верхнего слоя горных пород

В талых непромерзающих породах средняя температура верхнего слоя горных пород равна средней температуре поверхности. При наличии в слое фазовых переходов воды пропорциональность между средней температурой горных пород и сезонными значениями потоков тепла или теплооборотов на поверхности не наблюдается. Фактические данные указывают на прямую связь средних температур поверхности и горных пород.

Формирование отрицательной температуры горных пород происходит, когда сезонное промерзание превышает сезонное протаива-ние, в результате чего часть зимнего периода происходит охлаждение пород ниже температуры их замерзания. В главе цроводится анализ влияния важнейших природных параметров на температуру горных пород, основанный на учете многосторонних прямых и обратных взаимосвязей. Для этого методом последовательных приближений были получены в замкнутой форме приближенные решения трех задач: задачи определения температурного поля и глубины

14

протаивания за теплый период, задачи промерзания талого слоя и задачи определения температуры мерзлых пород в период их зимнего охлаждения. На их основе рассчитывалась средняя годовая температура мерзлых горных пород с учетом снежного покрова и температура поверхности горных пород под напочвенными покровами.

В работе ставилась задача получения конечных формул, описывающих процесс теплопередачи, в которых все определяющие параметры математически взаимосвязаны, и связь эта очевидна и фи-зична. Они позволили наглядно выявить роль каждого из них в процессе.

Вопросы формирования температуры горных пород обсуждались в мерзлотоведении с разных сторон В.А.Кудрявцевым, Б.Н.Досто-валовым, В.Г.Меламедом, Г.В.Порхаевым, Н.С.Ивановым, Г.М.Фельдманом, А.В.Павловым, В.П.Чернядьевым, Н.И.Шендером и .др. Нами был проведен анализ зависимости средней температуры мерзлых пород от основных климатических факторов, свойств горных пород и снежного покрова (всего 14 параметров). Рассматривались не двухсторонние, а многосторонние связи, когда шесте с изменением одного параметра менялись другие, связанные с ним единой природной цепочкой.

Наиболее сильное влияние оказывает снежный покров. Для условий Центральной Якутии он повышает температуру мерзлых пород в среднем на 2°С на каждые 10 см увеличения его высоты. Болёе теплопроводные породы являются более теплыми, но увеличение температуры небольшое (1°С на I Вт/(м-К).

Температура мерзлых пород слабо повышается с увеличением длительности летнего сезона и уменьшением зимнего, и незначительно зависит от степени континентальности. С ростом влажности грунтов их температура понижается вплоть до некоторого минимума, а затем повышается. Минимум температуры соответствует влажности 10-20%.

Все проанализированные параметры, кроме снега, меняют температуру горных пород в пределах 2°С. При наличии многосторонних связей каждый отдельно взятый параметр может оказывать значительное влияние на температуру, но вследствие разнонаправлен-ности их воздействия, суммарное влияние оказывается небольшим. Это закономерный результат действия обратных связей в природе, выражаемый принципом Ле-Шателье-Брауна.

15

Влияние снежного покрова рассмотрено более подробно. Показано, что большинство расчетных методов занижают теплопроводность снега. Обработка данных о средней плотности и теплопроводности снега по 295 метеостанциям криолитозоны, кроме полярных, указывает на небольшой диапазон их изменения по региону. Плотность изменяется от 0,17 до 0,22 г/см3, а теплопроводность от 0,20 до 0,24 Вт/(м»К).

Теплоизолирующее влияние снега определяется не только его высотой и тепловыми свойствами, но и климатическими условиями, а также свойствами подстилающих грунтов и всем процессом теплопередачи. Изменение природных параметров, уменьшающих интенсивность зимнего промерзания и охлаждения, приводит к повышению отепляющей роли снега.

Предложена методика определения охлаждающей роли снега, сохраняющегося в теплый период.

Наиболее контрастные различия средней температуры мерзлых пород обусловлены чаще всего влиянием напочвенных покровов. Температура под напочвенным покровом определяется температурой земной поверхности, высотой и теплопроводностью напочвенного и снежного покровов и грунтов и процессами протаивания и промерзания. Механизм влияния напочвенного покрова характеризуется двумя сторонами. Во-первых, в холодный период увлажненные покровы более теплопроводны, чем в летний, во-вторых, существование плохо теплопроводного слоя понижает теплоизолирующее влияние снега. Практически во всех случаях напочвенный покров приводит к понижению температуры горных пород. Когда теплопроводность покрова намного меньше теплопроводности снега, последний почти перестает оказывать влияние на температуру под покровом. При этом достигается максимальное охлаждение горных пород. Когда сезонные изменения теплопроводности напочвенного покрова значительны, под ним может формироваться отрицательная температура даже при положительной средней температуре поверхности.

Значительную роль в теплообмене земной поверхности с атмосферой и в формировании температуры горных пород играет растительный покров. В отличие от напочвенного его можно рассматривать, как полупрозрачную турбулентно-конвективную среду, в которой поглощение радиации происходит во всем объеме растительности, а коэффициент обмена растет линейно с высотой.

16

Найдены приближенные решения системы уравнений теплопроводности для свободного воздуха растительного покрова и сезонно протаивающего слоя. Их анализ для летнего сезона показывает сложную картину распределения температуры по высоте, зависящую от характера поглощения радиации. Максимум температуры находится, как правило, внутри растительного покрова. Он поднимается кверху в растительности с густой листвой или кронами и опускается к поверхности земли в редкостойном растительном покрове.

В лесу с подлеском поверхность всегда холоднее воздуха. При некотором соотношении поглощения радиации кроной'и поверхностью может наблюдаться изотермическое распределение температуры в лесу.

Таким образом, в растительном покрове температура зависит от вида растительности, густоты, высоты и сомкнутости. Характер поглощения радиации внутри растительного покрова обусловливает распределение температуры в нем, а интенсивность турбулентного обмена-контрастность температурного поля по вертикали.

. Увеличение влажности грунтов под растительным покровом приводит к понижению их температуры летом и повышению - зимой.

Анализ фактического материала показывает, что температура поверхности в лесу и кустарнике в среднем ниже на 1,0-1,5°С по сравнению с открытым пространством. Наблюдается слабое влияние древесно-кустарниковой растительности у южной границы развития мерзлых пород и возрастание к северу по мере понижения их температуры. В Центральной Якутии самоа)сильное охлаждение наблюдается в еловых лесах (-5,5—8,5°С). Другие растительные ассоциации в порядке убывания их влияния на температуру горных пород распределяются в следующем порядке: березово-еловый лес (-4,5—6,6°С), кочкарно-кустарниковые мари (-4,0—5,5°С), лиственничный лес (-2,5—4,5°С), березово-лиственничный лес (-1,5- -3,0оС), аласные луга (-1,3- -2,8°С), сосновый бор (-0,2--2,0°С), пойменные луга (-0,5- -2,0°С).

Хотя в природе никогда не происходит простого сложения влияний, а существует принцип взаимокомпенсации разных влияний, все же фактические данные указывают на значительную пестроту температурных условий даже на небольших территориях. При региональных построениях рекомендуется пользоваться значениями региональной температуры - средневзвешенной температуры, отнесенной

17

к значительной территории. Усреднение производится по типу растительности и напочвенных покровов, по литологии поверхностных отложений, по геоморфологическим и орографическим элементам поверхности, с учетом площадей, занимаемых каждой более-менее термически однородной природной ассоциацией.

Рассчитаны средние региональные температуры для ряда районов криолитозоны. Для левобережья р.Лены в Центральной Якутии средняя региональная температура, рассчитанная по трем широтным "участкам и разным типам растительности, оказалась равной -2,9°С. На правобережье подобные расчеты проведены для разных геоморфологических поверхностей, различающихся в основном ли-тологическими условиями. Средняя региональная температура оказалась равной -3,3°С. На Бестяхской и Тюнгюлюнской террасах и "Абалахской эрозионно-аккумулятивной равнине она равна соответственно -2,4; -2,9; -3,5°С.

По геотермическим данным более чем 500 участков криолитозоны и прилегающих южных районов построена карта средней температуры горных пород (на глубине 15-20 м) в масштабе 1:10 ООО ООО (рис.1). Показанные на карте изотермы выражают средние температуры участков, по которым они проходят. Считается, что за счет ландшафтных, геоморфологических и литологи-ческих неоднородностей температура горных пород внутри отдельных районов может меняться примерно на +2,0°С. Поэтому территория между изотермами 0 и +2°С является областью развития островной криолитозоны, а между изотермами 0—2°С - областью прерывистой криолитозоны с островами талых пород. Изотерма 0°С разделяет область, где комплекс средних природных условий способствует существованию криолитозоны, и область, где средние природные условия исключают ее повсеместное существование.

Взаимокомпенсационный характер влияния различных природных факторов на температуру горных пород в региональном плане проявляется в том, что значительных, принципиальных отличий между картой средней температуры горных пород и картой температуры земной поверхности не' наблюдается. Это означает, что в рассматриваемом масштабе,климатические факторы играют решающую роль в формировании температуры верхнего слоя мерзлых горных пород и региональных закономерностей их развития.

Рис.1. Средняя годовая температура горных пород севера Азии (кружки - отрицательная температура, крестики - положительная температура).

Глава Ш. Глубокое промерзание земной коры и тепловое поле мерзлой зоны литосферы

В результате формирования средней годовой отрицательной температуры ниже слоя сезонного промерзания-протаивания начинается глубокое промерзание земной коры. Земля находится в неравновесном термодинамическом состоянии, определяемом ее теплообменом с космическим пространством, поэтому для нее устойчивым является стационарное тепловое поле, соответствующее минимуму производства энтропии. Теоретически стационарное состояние недостижимо, но практически оно встречается часто в ограниченных пространственных объемах среды и при определенных скоростях изменения температуры поверхности.

, Стационарное состояние характеризуется постоянством суммарного теплового потока в-каждой точке среды или равенством его тепловыделению в этой точке. В качестве внутреннего источника выступает теплота фазовых переходов воды. Фактические материалы показывают, что большая часть фазового тепла при глубоком промерзании выделяется на фиксированной фазовой границе, а не в объеме, даже в глинистых породах. Поэтому основным критерием теплового состояния мерзлой толщи выступает соотношение тепловых потоков на фазовой границе по обе ее стороны. При — имеет место стационарный режим, при > С\у идет промерзание горных пород, при < С}>т происходит протаивание мерзлых пород, которое может происходит как сверху, так и снизу.

и - тепловые потоки на фазовой границе в мерзлых и талых породах).

Экспериментальные данные свидетельствуют, что указанные признаки нестационарности теплового поля мерзлой толщи не обнаруживаются, когда скорость движения фазовой границы становится достаточно высокой при относительно медленном изменении температуры на поверхности. Это условие выполняется в реальной природной обстановке в горных породах с влагоемкостью менее 3-5%. Исследование физических свойств горных пород показало, что. большая влагоемкость наблюдается в породах моложе средне-юрского возраста. Значит, только в этих породах мы можем зафиксировать и фиксируем признаки нестационарности теплового поля мерзлых горных пород. Учитывая, что современной эпохе предшест-

20

вовала более холодная эпоха, нестационарность проявляется в современном оттаивании аномально мощных мерзлых толщ снизу и условием на нижней фазовой границе > С^ . Нестационарные мерзлые толщи развиты достаточно широко. Они занимают всю территорию Западно-Сибирской плиты, Енисей-Хатангского, Лено-Ана-барского и Предверхоянского прогибов, Вилюйской синеклизы и, вероятно,встречаются на приморских равнинах и межгорных впадинах Северо-Востока и Забайкалья.

Большая часть территории криолитозоны, включающая всю центральную часть Сибирской платформы, Верхояно-Чукотскую складчатую область и Джутджуро-Становую складчатую зону, занята стационарной мерзлой толщей. Мощность стационарной мерзлой толщи однозначно определяется температурой поверхности, теплофизичес-кими свойствами горных пород мерзлой толщи и внутриземным тепловым потоком.

Мощность современной нестационарной криолитозоны определяется палеотемпературой поверхности, существовавшей на период климатического минимума, а также разностью внутриземного теплового потока и потока тепла в мерзлых породах и влагоемкостью горных пород.

В главе анализируются результаты изучения физических и теп-лофизических свойств горных пород, вопросы формирования и регионального развития внутриземного теплового потока в связи с геотектонической-и геодинамической обстановками.

Обобщение сведений о физических и теплофизических свойствах горных пород проведено по результатам измерений более^ чем 2000 образцов горных пород, выполненных в лаборатории геотермии Института мерзлотоведения СО АН СССР, и по данным многих авторов (М.С.Керстен, Н.С.Изанов, А.Ф.Чудновский, Р.И.Гавриль-ев, А.А.Лнанян, Н.Ф.Полтев, Е.Н.Барковская, Д.И.Федорович,М.А. Минкин, Ю.С.Даниэлян, Я.А.Кроник, С.Г.Лосева, В.Г.Чеверев.Э.Д. Ершов и др.).

Теплофизические свойства литифицированных горных пород криолитозоны изучались преимущественно нами. Отдельные сведения были получены из работ Е.А.Любимовой, В.В.Ржевского, Г.Я.Новика, А.А.Смыслова, У.И.Моисеенко, А.П.Скакуна, Г.Е;Малофеева,. С.И. Сергшпсо, П.П.Атрощенко, Р.П.Дорофеевой, С.В.Лысак и др.

Теплоемкость горных пород обладает свойством аддитивности,

21

благодаря чему ее можно рассчитать по удельным теплоемкостям ор-гано-минерального скелета и заполнителя порово-трещинного пространства. Значения удельной теплоемкости основных разновидностей горных пород рассчитывались по удельным содержаниям в них основных одиннадцати химических элементов. Их расчетные удельные теплоемкости различаются незначительно: от 0,81 до 0,84 Дж/(г- К). Фактические данные указывают на существование более широкого диапазона изменений от 0,7 до 0,96 Дж/(г-К).

Рассмотрена зависимость теплопроводности четвертичных отложений от объемного веса, влажности, петрографии и .дисперсности. Проведена унификация всех существующих обобщений таких данных с последующим графическим сглаживанием по определяющим параметрам. Использовано 700 данных для песка, 500 - .для супеси и около 600 - .для суглинка. Предложены унифицированные таблицы теплопроводности этих грунтов в зависимости от влажности и объемного веса в талом и мерзлом состояниях.

•Изучена теплопроводность горных пород в зависимости от их геологического возраста и степени литификациии, начиная от неогеновых и кончая кембрийскими>отложениями. Кайнозойские отложения криолитозоны слабо сцементированы, влагоемкость их значительна (15-25%), поэтому в мерзлом состоянии они на 30% более теплопроводны, вем в талом. Теплопроводность глин слабо зависит от плотности, а песков сильно. Пески и песчаники более теплопроводны, чем глины.

В мезозойских отложений с увеличением возраста влагосодержа-ние пород уменьшается, поэтому зависимость теплопроводности от фазового состояния слабеет с возрастом (в меловых отложениях 40, в триасовых 6-10%). Самыми теплопроводными являются песчаники (1,6-3 Вт/(м-К).

Теплопроводность палеозойских отложений практически одинакова в талом и мерзлом состояниях, вследствие незначительной пористости и влагоемкостк. Среда терригенных осадков наибольшей теплопроводностью выделяются песчаники (3-4,5 Вт/(м-К), среда карбонатных пород - доломиты.(3,8-5 Вт/(м-К). Теплопроводность и тех и других отложений уменьшается с увеличением их глинистости.

Дана характеристика теплопроводности осадочных пород всех основных тектоноструктур криолитозоны. Рассмотрены свойства магматических и метаморфических пород, наиболее широко развитых на изучаемой территории.

Наблюдаемый вблизи поверхности тепловой поток является результатом суммирования радиогенного тепловыделения в земной коре и тепла, поступающего из мантии. Наиболее мощным источником в коре является гранитно-метаморфический слой (70-80% теплоге-нерации коры). Мантийная составляющая теплового потока составляет от 30 до 70% его суммарной величины. Она увеличивается при переходе от древних платформенных структур к молодым геосинклинальным зонам. Таким образом, региональные закономерности изменения теплового потока связаны с особенностями строения и состава земной коры и с тепловым состоянием мантии. Эти связи рассмотрены по ес^м основным литосферным блокам земной коры литосферы.

Среднее значение теплового потока на территории Западно-Сибирской плиты, занятой криолитозоной, равно 56 мВт/м2. В Приуральской зоне поток составляет в среднем 69 мВт/м^, в Центральной зоне - 55 мВт/м^, в Приенисейской зоне - 47 мВт/м2. Общая меридиональная вытянутость зон с разным тепловым потоком соответствует направленности основных структур фундамента.

В более холодной восточной части плиты наблюдаются повышенные скорости сейсмических волн на границе Мохо. Корреляций с другими параметрами коры или геофизическими полями не наблюдается

Тепловой поток на территории Сибирской платформы " меняется в широких пределах: от 13 до 63, составляя в среднем 35 мВт/м^ (рис.2). Наиболее холодными являются Анабарская антеклиза, Неп-ско-Ботуобинская седловина, северный склон Алданской антеклизы, Приенисейский вал и Енисейский кряж. Средний тепловой поток здесь близок к 20 мВт/м^. Мы считаем, что он характерен для древнейших протоструктур, кора которых представляет реликт древнейшей складчатой оболочки Земли. Гранитно-метаморфичбский слой сложен в основном очень древним плагиогнейсовым комплексом с очень слабой радиоактивностью (около 6 мкР/ч). Мантия этих структур холодная и плотная, на что указывают аномально высокие граничные скорости сейсмических волн на ее поверхности, достигающие 8,6-8,8 км/сек, и сведения об отсутствии на некоторых из них. астеносферного слоя.

Мезозойская и более древние активизации сопровождались переработкой древней коры, ее гранитизацией и появлениями*"теплой мантии" что привело к существованию в настоящее время на южном и западном блоках Алданской антеклизы более высоких тепловых по-

23

Рис.2. Траловой поток Сибирской пллтгоорот и Верхояно-Чукотской складчатой области ь пБт/м2. I - основные изолинии, 2 - дополнительные, 3 - пункт измерения.

токов, равных 40-50 мВт/м^.

Тепловое состояние всех депрессий Сибирской платформы как внутренних (Вилюйская и Тунгусская спнеклизы), так и краевых (Енисей-Хатангский, Лено-Анабарский и Предверхоянский прогибы) очень сходно и характеризуется самым высоким тепловы потоком 4060 мВт/м^. Поле теплового потока Сибирской платформы замкнутое. Изолинии потока нигде не секут краевые структурные швы, кроме Станового структурного шва. Это говорит о неразрывной связи поля теплового потока с геотектоническими характеристиками литосферы.

Верхояно-Чукотская складчатая область является одной из самых активных мезозойских провинций Азиатского континента.Область характеризуется высокой степенью динамизма и активности. С конца палеозоя она вступила в орогенный цикл геосинклинального развития, который перманентно продолжается до настоящего времени.

Среднее значение теплового потока .для территории Верхояно-Чу-котской складчатой области состазляет 65 мВт/м*\ Повышенный тепловой поток обусловлен поступлением большого количества тепла из мантии. Это же определило небольшие пределы изменения его величины по территории (от 46 до 100 мВт/м^), несмотря на высокую степень тектонической дифференциации, (см.рис.2).

Наибольшее значение тепловой поток имеет в Верхояно-Колымс-кой области. В центре ее, охватывая Верхоянский мегантикшшорий, Иньяли-Дебинский мегасинклинорий, Полоусненский антиклинорий, Верхне-Индигирский синклинорий и восточную часть Олойско-Алазей-ской эвгеосинклинальной зоны, он равен 80-100 мВт/г/1. Это самая геодинамически активная зона с мощным напряженным орогенезом,совпадающая с областью наибольшего развития Верхоянского геосинклинального комплекса. Анализ теплового потока в разных хребтах области указывает на его повышение по мере роста их высоты.

Область с потоком 60-80 мВт/м^ охватывает остальную территорию развития Верхоянского геосинклинального комплекса и значительную часть Олойско-Алазейской зоны. Она характеризуется развитием рельефа высоких плоскогорий и пониженной активностью геотектонических процессов. Остальная часть Верхояно-Колымской складчатой области имеет тепловой поток меньше 60 мВт/м^. Внутри нее выделяются острова срединных массивов с потоком примерно 50 мВт/м? Самый низкий тепловой поток (40-60 мВт/м^) наблюдается в северной зоне затухания мвзозовд, лишенной признаков орогенеза.

25

В Колымо-Чукотской складчатой области повышенным тепловым потоком выделяется Анюйско-Чаунская складчатая зона (60-70 мВт/м^) и мезо-кайнозойская Пенжинско-Анадырская зона (более 60 МВт/м^).

Отмечена связь теплового потока с основными элементаш процесса тектогенеза: интенсивностью орогенеза, сейсмической активностью и мезо-кайнозойскш вулканизмом.

Сформированный в коре и мантии тепловой поток поступает к нижней поверхности мерзлой толщи и определяет ее региональную морфологию и мощность. Но во многих случаях на пути к поверхности происходит Перераспределение плотности теплового потока, сгущение его в одном месте и разрежение в другом, отклонение от вертикального направления.

В работе рассмотрены механизмы объемного перераспределения плотности теплового потока под влиянием горного рельефа, резких и значительных неоднородностей.температуры поверхности и гори-зональных литологических и.структурных неоднородностей.

Горный рельеф обусловливает повышение плотности теплового потока под долинами и впадинами и уменьшение его на вершинах гор и горных'цепей. В наиболее высоких горных системах Верхояно-Чу-котской складчатой области плотность потока тепла под долинами в 3-6 раз выше, чем под вершинами. Примерно о таком же соотношении различаются мощности мерзлых пород под ними. Наименьшее искажение теплового потока наблюдается на середине склона, а наиболее правильное представление о его величине в горном хребте дает среднее из его значений в долине, на склоне и на вершине.

Глубина влияния рельефа определяется относительным превышением вершин над долинами и расстоянием между соседними однотипными элементами рельефа. На Северо-Востоке СССР влияние рельефа исчезает на глубине в 4-5 раз большей относительного превышения рельефа.

Наиболее контрастные неоднородности температуры поверхности в криолитозоне наблюдаются при наличии водоемов, водотоков или при антропогенных нарушениях поверхности. В работе дана методика расчета поля температур и теплового потока для двух- и трехмерных моделей среда. Предлагается простой метод определения глубины искажения теплового поля по данным о максимальных различиях температуры поверхности на участке и размерах участка.

Заметное влияние на тепловое поле криолитозоны оказывает неоднородность состава и свойств пластов и блоков горных пород. На

26

Рис.3. Мощность стационарной криолитозоны на севере Азии. Изолинии - мощность мерзлых пород в метрах.

границе раздела разнородных пород должны быть равны тепловые потоки, направленные по нормали к границе раздела. Поэтому при пересечении любой наклонной границы раздела происходит увеличение или уменьшение мощности мерзлых пород на контакте в зависимости от соотношения теплопроводностей блоков.

До сих пор нет единства мнений по поводу влияния купольных структур на мощность мерзлой толщи над ними. Фазовая граница поднимается к поверхности над куполом в двух случаях: когда Ав < ?1н и она расположена выше границы раздела, и когда Л$ > Ан » но фазовая граница залегает ниже границы раздела структур (в - верх, н - низ). Если купольные структуры перекрываются переслаивающимися плохо- и хорошотеплопроводными породами, картина их влияния может быть любой, вплоть до отсутствия какого-либо влияния.

На основе карт средней температуры мерзлых пород,тепловых потоков и средних значений теплопроводностей слагавших мерзлую толщу пород были рассчитаны значения стационарной мощности криолито-зоны севера Азии, нанесенные на карту-схему (рис.3). Южная граница стационарной криолитозоны в Западной Сибири проходит значительно южнее реальной границы. Восточнее обе границы совпадают. Граница стационарной криолитозоны соответствует современным климатическим условиям и определяется ими. Мощность мерзлых пород внутри зоны подчиняется в основном тепловому потоку. Аномально большие мощности криолитозоны в центре Сибирской платформы обусловлены низким тепловым потоком и высокой теплопроводностью карбонатных отложений.

На Северо-Востоке СССР стационарная криолитозона незначительно меняет свою среднюю мощность (от 200 до 400 м) на огромной территории. Это связано с тем, что область высокого теплового пото-. ка совпадает с зоной низких температур поверхности, и влияние их взаимно компенсируется. Реальная криолитозона этой области всюду стационарна.

Мощность стационарной криолитозоны меньше реальной мощности на 200-300 м в Западной Сибири, на 250-350 м в Нижне-Енисей-ской впадине, на 150-400 м в Вилюйской синеклизе и Предверхоян-ском прогибе.

Рассмотрена стационарная субаквальная криолитозона северных морей. Ее мощность оценивается в среднем в 40-70 м, но может достигать 100 м.

Вследствие привноса большого количества тепла в бассейн Ле-

28

довитого океана Гольфстримом тепловой поток через лед почти в 100 раз превышает поток тепла в данных отложениях. Вследствие этого максимальная стационарная мощность пакового ледяного покрова в Центральной Арктике должна быть равна 10-15 м.Мояно считать, что арктическая криогидрозона на 1-2 порядка менее мощна, чем криолитозона прилегающего материка.

Глава 1У. Нестационарная криолитозона в настоящем, прошлом и будущем

Из всех природных факторов, определяющих глубину промерзания земной коры, заметные изменения во времени испытывает только температура поверхности. Поскольку ее изменения определяются преимущественно климатическими условиями, то история динамики мерзлого состояния криолитозоны является историей меняющего климата Земли. ,

Классическим примером этого является современная нестационарная криолитозона Западной Сибири.

На ее территории севернее Полярного круга наблюдается сплошное развитие монолитной по глубине низкотемпературной мерзлой толщи, которая протаивает снизу. Вблизи Полярного крута температурное поле становится безградиентным, равным температуре замерзания поровой воды. На фазовой границе происходит полное поглощение внутриземного теплового потока, благодаря чему граница движется вверх по скоростью 1-2 см/год. Далее на юг мерзлая толща отрывается от поверхности и становится реликтовой. В районе 66°с.ш. в полосе около 100 км верхняя часть талика проморожена до глубины 10-30 м. К югу наблюдается опускание верхней фазовой границы и поднятие нижней. Смыкание их происходит на глубине около 200 м и впервые наблюдается на 62°с.ш. в пределах низких заболоченных _ пространств.

С запада на восток на протяжении почти 2000 км наблюдается слабое и малоконтрастное изменение температуры и мощности мерзлой толщи. Последняя повышается с запада на восток и . достигает 350-370 м на междуречье Пура и Таза. В Приобском районе и в междуречье Надыма и Цура кровля мерзлых пород оторвана от поверхности местами до 100 м.

В главе предлагается количественный метод реконструкции па-

леогеокриологических условий, основанный па изучении положения

29

фазовых границ и степени неравновесности тепловых потоков на них. Он позволяет определить палеотемпературу и палеомощность мерзлой толщи на момент минимума холодной эпохи и скорость изменения температуры поверхности. С его помощью рассчитана динамика теплового состояния криолитозоны Западной Сибири и Якутии в позднем плейстоцене и голоцене.

Около 18-20 тыс.лет назад в Западной Сибири температура поверхности горных пород равнялась -8°С на широте 60° и -13°С севернее Полярного круга, что на Ю-13°С ниже современной.Мощность мерзлых пород достигла на юге 350 и на севере 550 м. Криолитозо-на занимала обширную территорию вплоть до 51-52°с.ш. К настоящему времени мощность мерзлой толщи уменьшилась на 120-170 м под влиянием протаивания снизу и полностью деградировала там, где ее мощность была меньше 200 м. Температура воздуха на широте 68-69° была равна около -20°С.

В период оледенения сохранялась 'широтная зональность температуры поверхности горных пород, но только южнее 67-68°с.ш. Севернее она нарушалась, повышалисьпалеотемпературы (примерно на 3°С) и уменьшались палеомощности (примерно на 150 м). Это сви-. детельствует о покрытии этого района ледником мощностью 100-300 м. • В Якутии в сартанскую эпрху температура воздуха была на 8-Ю°С ниже современной. Промерзание горных пород было более глубоким, достигая 760 м. Существующие данные не дают оснований говорить об оледенении Якутии южнее Полярного круга. За 18 тыс.лет мощность мерзлых пород уменьшилась на 100-200 м.Современная мощность превышает стационарную на 300-450 м. Потребуется от 20 до 50 тыс.лет .для их выравнивания. „

Реконструкция голоценовых условий проведена только в Западной Сибири, где существует погруженная верхняя фазовая граница. Средняя интегральная температура голоценового периода изменялась от 2,4° на юге до 1,9°С на севере. На юге она оказалась близкой к современной, а на севере на 2°С выше. Обнаружены значительные различия интегральной температуры по широте, которые связываются с затоплением этих районов подпрудными бассейнами в конце сартан-ской эпохи и поэтому более ранним началом протаивания сверху.

Результаты реконструкции палеогеокриологических условий позволили впервые дать их количественную оценку .для условий севера Азии.

В работе сделана попытка оценить направление и ход изменения естественных климатических условий в предстоящие тысячелетия. Она основана на гармоническом частотном анализе палеоклиматических кривых за последние 100 тыс.лет. Анализ показал, что настоящее время является началом длительного теплого периода, который будет длиться около 3 тыс.лет.

Анализ изменения температуры воздуха за последние 1000 и 100 лет указывает на ее колебания в пределах 1-1,5°С. Такие колебания практически полностью нивелировались поверхностной оболочкой и не могли заметно влиять на тепловое состояние криолитозоны. Скорость естественных климатических изменений, равная 0,5-1,5°С за 1000 лет, приводит к деградации мерзлой толщи в основном снизу, а на юге и сверху, но оно настолько медленное, что природная среда и хозяйственная инфраструктура приспосабливаются к нему безболезненно.

Рассмотрено влияние основных антропогенных факторов на изменение температура поверхности Земли и тепловое состояние криолитозоны. Глобальное влияние оказывают выделение тепловой энергии в атмосферу (термическое загрязнение атмосферы), выбросы аэрозолей и увеличение содержания в атмосфере газов, влиявдих на структуру радиационного теплообмена Земли с космическим пространством.

В настоящее время в атмосферу поставляется дополнительная тепловая энергия, составляющая всего 0,01$ от поглощенной солнечной радиации. К концу столетня ее доля увеличится в 5 раз и неI превысит энергию земной планетарной системы более, чем на 1%. Разные модели теплового загрязнения атмосферы дают незначительное повышение температуры поверхности криолитозоны, не превышающие 2°С в Западной Сибири и почти отсутствие его в Восточной Сибири и на Чукотке.

Величину наиболее вероятного повышения температуры атмосферы и поверхности Земли при росте антропогенного аэрозоля оценивают к концу века максимум в 0,5°С. Для криолитозоны их влияние проблематично на очень длительный срок.

Наибольшее беспокойство в научном мире связано с ростом содержания в атмосфере двуокиси углерода, создающей в тропосфере парниковый эффект. По современным оценкам удвоение содержания СХ>2 в атмосфере ожидается в 2025-2050 гг. Оно при-

ведет к повышению температуры поверхности и атмосферы примерно на 2°С по балансовым оценкам и нашим данным. В моделях Манабе и Везеродда получается, что до 55°с.ш. следует ожидать повышения температуры поверхности на 3°С. Севернее она увеличивается на 2°С на каждый градус широты.

_Если оценки повышения температуры поверхности окажутся реальными, то криолитозону ждут трагические последствия. Условия .для ее существования сохранятся только в арктических и горных районах Якутии и на Таймыре. Но и там их мощность начнет через 30-40 лет сокращаться снизу. В полосе широт 6070° протаивание сверху к 2030-2040 годам достигнет 10-15 м, а скорость ее будет равна 0,2-0,3 м/год. Такая значительная , и быстрая перестройка теплового режима криолитозоны окажется разрушительной и для экологической среды и для хозяйст-венно-экойои£ической инфраструктуры. Надежды на меньшие последствия основываются на том, что в моделях не учитывается саморегулирующая способность природной системы Земли .Все последние экспертные международные оценки глобальных изменений климата весьма осторожны.

Региональные изменения геокриологической обстановки связаны с необратимыми изменениями поверхностного природного комплекса в целом или отдельных его элементов. В настоящее время они наблюдаются на территории восточной части зоны БАМа и в Ботуобинской алмазоносной провинции.

Интенсивное освоение алмазных месторождений привело к коренному изменению первичной природной обстановки, что обусловило повышение температуры горных пород на 1-1,5°С.В результате этого геотермические исследования фиксируют потепление с поверхности, распространившееся до глубины 50-120 м. Оно наблюдается далеко за пределами промышленных зон и полигонов.

Освоение южных районов криолитозоны в ряде мест достигло такого уровня, когда локальные изменения теплового состояния мерзлой толщи перерастают в региональные и приближаются к критической черте, за которой фазовые процессы становятся необратимыми. В северных районах энергия антропогенных воздействий пока недостаточна, чтобы угрожать термической устойчивости мерзлых толщ в региональном масштабе.

32

Задачей предстоящих исследований должно явиться определение направления и интенсивности как естественных, так и антропогенных изменений в энергетическом состоянии криолитозоны в разных ее регионах с учетом прямых и обратных многофакторных природных связей.

Заключение

В работе проведено обобщение всего имеющего на сегодня фактического геотермического материала и разработаны некоторые аспекты теории геотермии мерзлой зоны литосферы. В итоге рассмотрения широкого круга вопросов от закономерностей формирования отрицательной температуры земной поверхности и верхнего слоя горных пород до глубокого промерзания блоков земной коры и динамики теплового и фазового состояния криолитозоны можно сформулировать следующие наиболее существенные научные результаты:

1. Установлены основные источники тепла и механики формирования температуры земной поверхности. Она является продуктом равновесного теплообмена с тропосферой и пропорциональна суммарной мощности всех источников тепла в системе поверхность Земли - тропосфера. Основными источниками тепла внутри и на границах этой системы являются солнечная радиация и тепло, приносимое в систему глобальными и зональными циркуляционными процессами. Первая формирует широтное зональное тепловое поле поверхности, второе - ее азональные черты.

Показано, что температура земной поверхности формируется под влиянием климатических факторов, которые складываются не только под влиянием основных источников тепла и их перераспределения, но и под воздействием неоднородностей геолого-географической оболочки Земли.

2. Изучена физическая суть сложных процессов теплообмена в деятельном слое и механизм формирования отрицательной температуры верхнего слоя горных пород при разных свойствах поверхности и разных покровах на ней. Средняя отрицательная температура горных пород определяется температурой поверхности

и особенностями сезонных фазовых процессов. Она пропорциональна температуре и длительности периода охлаждения после промер-

зания сезонноталого слоя. Выполнен многосторонний и многофакторный анализ влияния каждого из природных параметров, участвующих в ее формировании. Суммарное влияние их подчиняется принципу взаимной компенсации.

Анализ злияния снега и напочвенных покровов на температуру горных пород указывает на ведущую роль не только их высоты и тепловых свойств, но и тех свойстз подстилающих их горных пород, которые определяют глубину и интенсивность сезонного протаивания и промерзания. Показано, что напочвенные покровы всегда охлаждают горные порода за счет разной теплопроводности их зимой и летом и за счет частичной нейтрализации отепляющего влияния снежного покрова.

Составлена карта средней температуры мерзлых пород крио-литозокы Азии и прилегающей территории.

3. Обобщены и систематизированы имеющиеся данные о тепловых свойствах осадочных, магматических и метаморфических горных пород в талом и мерзлом состояниях в зависимости от плотности, влагоемкости, состава и геологического возраста.

Предложены унифицированные таблицы свойстз рыхлых четвертичных отложений, а также таблицы средних и предельных значений теплопроводности горных пород фанерозоя .для всех тектоно-структурных комплексов криолитозоны.

4. Составлена карта внутриземного теплового потока криолитозоны Азии, установлены закономерности его формирования в коре и верхней мантии и региональное распределение в зависимости от структуры, строения и геодинамической активности основных литосферпых блоков севера Азии. Изучены основные причины перераспределения плотности теплового потока, создающие зоны аномальной мощности криолитозоны и контрастную морфологию нижней фазовой границы. Установлены условия образозания, признаки и область развития нестационарных мерзлых толщ на севере Азии.

Построена карта-схема стационарной криолитозоны Азии, ус-танавлзшавдая корелляцию мощности мерзлых толщ с внутризем-ным тепловым потоком и определяющая ареалы развития мерзлых пород аномально большой мощности.

5. Разработан метод реконструкции палеогеокриологических условий верхнего плейстоцена и голоцена для областей развития

34

нестационарных мерзлых толщ по современным геотермическим данным. С его помощью реконструирована палеогеокриологическая обстановка в Западной Сибири и Якутии, впервые выявившая температуру горных пород и воздуха, а также глубину промерзания в этих регионах на период сартанского оледенения и голоцена.

Выполнен частотный анализ палеогеокриологической кривой для севера Азии, позволивший продлить ее в будущую эпоху и показать существование положительного климатического тренда в течение ближайших тычячелетий. Установлены амплитуды и максимальные скорости изменения температуры поверхности Земли, позволившие сделать прогноз изменения геокриологической обстановки в будущем и влияние этого изменения на природную и хозяйственную сферу.

6. Рассмотрены важнейшие энергетические факторы глобального антропогенного влияния на температуру системы земная поверхность - атмосфера (тепловое загрязнение атмосферы, повышение содержания аэрозолей и двуокиси углерода) и проанализировано их влияние на тепловой режим криолитозоны. Вследствие зысокой скорости изменений энергетического уровня системы следует ожидать трагических последствий для существования криолитозоны на значительной площади ее современного развития. Однако инструментальных подтверждений такого развития событий пока не имеется.

Получены и рассмотрены материалы региональных изменений теплозого состояния мерзлых толщ в ряде районов интенсивного освоения, не связанные с преобразованием климата, а обусловленные значительным изменением поверхностной ландшафтной среды.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕГ® ДИССЕРТАЦИИ Монографии

1. Общее мерзлотоведение. - Новосибирск: Наука, 1974.-291 с. Соавторы С.С.Вялов, С.П.Качурин, Н.И.Толстихин и др.

2. Теплофизические исследования криолитозоны Сибири. - Новосибирск: Наука, 1983. - 244 с. Соавторы А.В.Павлов, Г.З. Перльштейн, Б.А.Оловин и др.

3. Тепловое поле недр Сибири. - Новосибирск: Наука, 1987. - 196 с. Соавторы А.Д.Дучков, С.В.Лысак, Л.С.Соколова и др.

Статьи

1. Влияние поверхностного слоя на тепловой режим и глубину протаивания мерзлых горных пород.// Тепловые процессы в мерзлых горных породах. - М.: Наука, 1964, с.7-38.

2. Теплообмен мерзлых горных пород с атмосферой при наличии растительного покрова.// Тепловые процессы в мерзлых горных породах. -М.: Наука, 19Б4, с.147-166.

3. Условия формирования температуры и мощности многолетне-мерзлых горных пород.// Материалы УШ Всесогоз.межведом, совещания по геокриологии.- Якутск: Кн.изд-во, 1966, вып.8. с.1-157.

4. Расчет глубины протаивания с учетом внешнего теплообмена.// Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории Северо-Востока СССР. - М.: Наука, 1966, с.47-57.

5. Особенности геотермическихп процессов в районах с мно-голетнемерзлыми породами. //Геокриологические исследования. -Якутск: Кн.изд-во, 1971, с.9-18.

6. Двухмерное температурное поле горных пород при произвольном распределении температуры на поверхности.//Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. - М.: Наука, 1972, с.69-78.

7. Методы расчетов глубины протаивания и температуры мерзлых почв.// Мерзлота и почвы. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1972, вып.1, с.52-64.

8. Геотермические исследования в Центральной Якутии. Геология и геофизика, 1972, № 12, с.134-137. Соавторы Ц.И.Мельников, В.Н.Девяткин, И.М.Кутасов.

9. Основные закономерности глубокого промерзания земной коры.// Проблемы геокриологии. - Новосибирск: Наука, 1973,с.26-36.

10. Современное тепловое состояние многолетнемерзлых пород Якутии в связи с климатами прошлого.//Мат-лы Всесоюз. научного совещ. по мерзлотоведению. М.: Изд-во МГУ; 1972, с.259-261.

11. К расчету стационарного теплового поля. - Изв. АН СССР. Физика Земли, 1973, № 3, с.109-111. Соавтор Ю.Г.Шасткевич.

12. Расчет конфигурации таликовых зон и стационарного температурного поля горных пород под водоемами произвольной формы. // Озера криолитозоны Сибири. - Новосибирск, Наука, 1974, с.116-127. Соавтор Ю.Г.Шасткевич.

13. Теплофизические основы формирования мерзлой зоны литосферы.// Доклады и выступления на П Междунар.конф. по мерзлотоведению. - Якутск: Кн.изд-во, 1975, вып.8, с.31-46. Соавтор Г.В.Порхаев.

14. Геотермика современного состояния и динамика температурного поля криолитозоны.// фундаментальные исследования.Нау-ка о Земле. - Новосибирск, Наука, 1977, с.207-210.

15. Геотермические особенности и мерзлая зона хребта Сун-тар-Хаята.// Геотеплофизические исследования в Сибири. - Новосибирск: Наука, 1978, с.129-142. Соавтор А.И.Левченко.

16. Реконструкция палеоклимата по современным геотермическим данным. // Тр. Ш Междунар.конф. по мерзлотоведению. - Эд-монто, Альберта, Канада, 1978, с.Н-14.

17. Динамика температуры грунтов Северного Приамурья при освоении его территории.// Техногенные ландшафты Севера и их рекультивация. - Новосибирск: Наука, 1979, с.74-88. Соавторы С.И.Заболо'тник, И.А.Некрасов, Ю.Г.Шасткевич, Н.И.Шендер.

18. Теплофизические свойства многолетнемерзлых пород Мос-тахского месторождения газа. // Строение и тепловой режим мерзлых пород. - Новосибирск: Наука, 1981, с.66-70. Соавторы Р.И.Гаврильев, Н.Р.Колушев.

19. Мерзлая зона литосферы: теплофизические исследования. -Вестник АН СССР, 1982, » 12,- с.73-80. Соавторы П.И.Мельников, Л.В.Павлов.

20. Тепловой поток Сибири. - Геология и геофизика, 1982, № I, с.42-51. Соавторы А.Д.Дучков, С.В.Лысак и др.

21. Эволюция многолетнемерзлых горных пород в зоне БАМа. - География и природные ресурсы, 1982, № 2, с.86-92. Соавтор И.А.Некрасов.

22. Мерзлотно-геотермические условия Западной Якутии в свя-"зи с ее нефтегазоносностью.// Гидрогеология нефтегазоносных областей Сибирской платформы. - Новосибирск: СНИИЗТиМС, 1982, с.18-28. Соавтор В.Н.Дезяткин.

23. Геотермическое поле области развития многолетнемерзлых горных пород Сибирской платформы и прилегающих территорий.//Методические и экспериментальные основы геотермии. - М.: Паука, 1983, с.79-84.

24. Динамика криолитозоны в связи с изменениями климата

37

и антропогенным воздействием. // Проблемы геокриологии. - М.: Наука, 1983, с.184-194. Соавтор А.В.Павлов.

25. Тепловой поток, температура и структура земной коры и верхней мантии Сибирской платформы.// Геотермические исследования и использование термальных вод в народном хозяйстве. (Тезисы докладов Междунар.симп. социалистических стран).- Сухуми, 1985, с.35-36. Соавторы Б.В.Володько, А.И.Левченко.

26. О реконструкции палеотемператур многолетнемерзлых пород.// Развитие криолитозоны Евразии в верхнем кайнозое. -М.: Наука, 1985, с.129-136.

27. Современное состояние и динамика многолетней мерзлоты в позднем плейстоцене и голоцене по геотермическим данным.// Методы реконструкции палеоклиматов. -М.: Наука, 1985, с.79-88.

28. Тепловой поток и геодинамика Верхояно-Чукотской складчатой области.// Внутриконтинентальные горные области: геологические и геофизические аспекты. (Тезисы- докладов Меадунар. симп.). - Иркутск, 1987, с.239-240.

29. Heat flow investigation in permafrost regions. // Geo-electric and Geothermal studies. KAPG Geophysical Monograph. -Budapest, 1976, p.473-480. Соавторы П.И.Мельников, В.Н.Девяткин, И.М.Кутасов.

30. Thermal regime and terrestrial heat flow in the USSR permafrost area. // Programme and abstracts Seventh annual meeting European Geophysical Society - Budapest, 1980, p.110. Соавтор В.Н.Девяткин.

31. Thermal regime and terrestrial heat flow in permafrost areas of the USSR. // Geothermics and geothermal energy - Stuttgart: E. Schweizerbart"sche Verlagsbuchhaudlung, 1982, p.107-110. Соазтор В.Н.Девяткин.

Балобаев Вениамин Тихонович

Геотермия мерзлой зоны литосферы севера Азии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Подписано в печать 18.01.89. МЛ02304. Усл.печ.л. 2,2. Тираж 100 экз. Заказ № 40.

Фотоофсетная лаборатория Института мерзлотоведения СО АН СССР, 677010, Якутск.