Влияние воды на строение и температурный режим ледников на примере оледенения Шпицбергена (по данным бурения)

Актуальной задачей современной географии является изучение ледников как прщюдных объектов, сохраняющих информацию о климате прошлого ш как перспективных источников пресной воды. Изучение строения гидрологического и температурного режимов ледников даёт возможность получать сведения о климате в прошлом и выяснять закономерности его изменений. Такие данные служат основой для прогноза климатических изменений и их последствий в.будущем. Изучение гидрологии ледников открывает пути использования ледниковой воды для гидроэнергетики, водоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий, бытовых нужд. Эти проблемы актуальны для многих высокогорных и особенно полярных районов Земли, где ледники часто бывают единственными источниками пресной воды.

Для решения отмеченных задач большой интерес представляют субполярные ледники, в частности, оледенение Шпицбергена. Здесь, благодаря своеобразным климатическим и орографическим условиям, существуют практически все известные типы ледников, отличающиеся по морфологии, температурному состоянию и типам питания. Строение, температурный и гидрологический режимы этих ледников неразрывно связаны и влияют друг на друга. Совместное рассмотрение гидрологического и температурного режимов мы называем термином «гидро-термика», который используется в работе.

Наиболее детально вопросы структурного ледоведения были разработаны П. А. Шумским, который создал теорию процессов образования ледникового льда, разработал генетическую классификацию оса-дочно-метаморфических льдов, описал типы и зоны льдообразования на ледниках и их связь с климатом, развил представления Г. А.Авсю-ка о связи термического режима ледников с типами питания и климатом. Д. А. Шумский обосновал структурно-генетический подход к изучению ледникового льда, который направлен на выяснение климатических условий формирования строения и гидротермического режима ледников в разных зонах льдообразования. Структурно-генетический подход к изучению ледников были расширен исследованиями А. Б. Бэжева, Н. И. Баркова, М. Г. Гросвальда, Т. В. Псарёвой и другими. Представление о температурном режиме и процессах в разных зонах льдообразования были развиты исследованиями Л.С.Гово-рухи, Н. В. Давидович, И. А. Зотикова, Б. В. Кислова, В. М. Котлякова, А. Н. Кренке, В. Г. Ходакова, Е. Н. Цыкина и других гляциологов. Новым направлением в изучении взаимодействия оледенения и климата явились исследования изотопно-химического состава ледникового льда, выполненные Р. А. Вайкмяэ, Ф. Г. Гордиенко, В. М. Котляковым и рядом зарубежных учёных. Большой вклад в изучение взаимосвязи температурного режима, типов и зон льдообразования, динамики ледников и гидрологии их толщи сделан Г. Н. Голубевым. Данные о гядро термике ледников были получены также методами математического моделирования У. Ф. Баддом, И. А. Зотиковым, М. С. Крассом, Г. Робином и другими.

В результате экспериментального и теоретического изучения ледников возникли представления о нестационарности типов и зон льдообразования при изменении климата, установлено влияние таяния, инфильтрации и повторного замерзания воды на изотопно-химический состав, структуру льда и температурное состояние ледников в разных зонах льдообразования, описано влияние диссипации энергии движения и геотермического потока тепла на строение и гидротермику ледников. Исследования в рамках диссертационной темы являются логическим продолжением и развитием этих представлений применительно к глубинным толщам ледников.

Наиболее эффективным методом изучения строения и гидротермики ледников является бурение, исследования скважин и ледяного керна. Для палеоклиматических реконструкций и изучения гидротер-мшси ледников используются изотопно-геохимические и структурные методы, а также метод численного моделирования. Наибольший прогресс этих исследований достигнут при изучении ледниковых покровов Антарктиды и Гренландии. На субполярных ледниках процессы таяния, инфильтрации и повторного замерзания воды искажают изотопно-химический состав атмосферных осадков, перераспределяют примеси по глубине ледника, отепляют ледниковую толщу и формируют структурно-стратиграфические неоднородности, которые несут в себе информацию о климатических условиях образования ледникового льда. Эти же процессы в отдельных случаях являются причиной существования в ледниковой толще жидкой воды, что существенно влияет на реологические свойства льда. Последнее осложняет моделирование термодинамики таких ледников и является одной из причин несовершенства методов расчета временных шкал для глубинных ледниковых профилей. Существующие модели для расчета возраста глубинного льда приемлемы лишь для ледоразделов стационарных ледниковых куполов, что ограничивает их использование для ледников других морфологических типов и для склона ледниковых куполов, существующих в нестационарных климатических условиях.

Одним из путей решения отмеченных проблем является экспериментальное изучение строения и гидротермики субполярных ледников с помощью глубокого бурения и исследований скважин и ледяного керна. Получаемые при этом данные — такие как глубинные структурно-стратиграфические профили — дают возможность установить тип питания и гидротермическое состояние ледника в прошлом, а также получать прямые данные о вертикальном сжатии слоев льда в глубине ледниковой толщи. Это позволяет проследить эволюцию типов питания и гидротермического состояния ледников при изменении климата и рассчитать возрастную шкалу для глубинных ледниковых профилей. Такого рода информация, помимо самостоятельного значения, представляет интерес для интерпретации изотопно-геохимических и геофизических данных и служит основой для математических моделей широкого класса ледников. Изложенное определяет актуальность темы диссертации.

Основная цель работы заключается в изучении зависимостей строения и гидротермики ледников Шпицбергена от климатических условий. Для её достижения потребовалось решить следующие задачи:

1. Выявить связи характерных структурно-стратиграфических и гидротермических параметров фирново-ледяных толщ с типами (зонами) льдообразования и современным клиыатом.

2. Выяснить возможность использования этих параметров для реконструкции типов питания, гидротермического состояния ледников и климатических условий их существования в прошлом.

3. Изучить формы существования жидкой воды в глубине ледниковой толщи.

Исходным материалом диссертационной темы явились результаты изучения глубинного строения, состава и гидротермического режима ледников Шпицбергена. Основным источником данных послужили скважины (суммарной глубиной около 3500 м, в том числе — 1550 м с отбором керна), пробуренные автором диссертации на ледниках Кавказа (1972 г), Полярного Урала (1973;1974 гг) и, большей частью, Шпицбергена (1975;1982 гг). Автор принимал непосредственное участие в разработке, изготовлении и применении новых методов бурения ледников и исследовании скважин и ледяного керна. В частности, автором разработан оригинальный метод изучения строения фирново-ледяной толщи ледников с помощью бескернового бурения-протаивания и записи скорости проходки. Керновое и бескерновое бурение выполнялось буровыми снарядами Арктического и Антарктического НИИ, разработанными В. А. Моревым, наземный комплекс — буровые лебедки, системы контроля и управления буровыми снарядами — были разработаны и изготовлены В. С. Загородновым. Автор внёс большой вклад в разработку технологии антифризного термобурения в условиях обратного температурного градиента. Для изучения ледяного керна автор применил высокопроизводительный метод изготовления ледяных шлифов и создал установку для измерений электропроводности и физико-механических свойств ледяных кернов.

Комплекс полевых исследований включал: глубокое термическое бурение ледников (максимальная глубина скважин 586 м), измерения геометрии, температуры и гидрологического режима скважин, описание и фотографирование ледяных кернов, измерения их электропроводности и физико-механических свойств, фотографирование кристаллической структуры и воздушных включений в ледяных пластинах (шлифах), отбор проб на изотопный и геохимический анализ кернов.

Камеральная обработка заключалась в статистическом анализе структурно-стратиграфических данных, получении корреляционных зависимостей строения ледниковых толщ с метеоусловиями, совместном анализе структурно-стратиграфических, гидротермических, изотопно-геохимических и геофизических данных по ледникам Шпицбергена. Эта обработка позволила установить связи между структурно-стратиграфическими характеристиками ледниковых толщ и условиями, в которых образовался лёд и фирн соответствующих горизонтов, что явилось основой для реконструкций климатических условий, типов питания и гидротермического режима ледников в разных зонах льдообразования в прошлом.

Научная новизна исследований заключается в следующем: I. Разработан комплекс количественных структурно-стратиграфических критериев, которые при исследовании глубинных ледяных кернов позволяют установить генезис льда, тип льдообразования, гидротермический решим ледников и климатические условия на ледниках в прошлом.

2. Установлена эмпирическая зависимость температурного режима ледниковых толщ на нижней границе деятельного слоя в разных зонах льдообразования от климатических условий на их поверхности.

3. Предложен метод датирования глубинных кернов, льда, образовавшихся с участием талой воды.

4. Экспериментально установлена новая, не известная ранее, форма существования жидкой воды в ледниковых толщах при температуре плавления льда — микроканалы.

5. На основе комплексного анализа данных глубокого бурения выполнена реконструкция типов питания, гидротермического состояния и климатических условий существования оледенения на Шпицбергене в ХШ-ХХ веках.

Научное и практическое использование результатов. Основные результаты исследований ледников Шпицбергена с помощью бурения входят отдельной главой, написанной автором диссертации, в монографию «Гляциология Шпицбергена» и отражены в «Атласе снежно-ледовых ресурсов Мира». Результаты изучения ледника Бертиль на Шпицбергене вошли в научно-технический отчёт, представленный в трест Арктикуголь. Эта работа выполнялась в связи с решением проблем водоснабжения угольного рудника Пирамида (о.Западный Шпицберген) ледниковой водой. Имеются две справки о внедрении результатов исследований, выполненных в ходе работы над диссертацией.

Апробация результатов исследований. Результаты работы по диссертационной теме опубликованы в II научных статьях и доложены:

— на рабочем совещании Секции гляциологии в Звенигороде в 1981 и 1982 гг;

— на конференции молодых специалистов в Арктическом и Антарктическом НИИ в 1975 г;

— на 1-м Всесоюзном совещании по механике и физике льда (Москва) в 1981 г;

— на научных семинарах отдела гляциологии Института географии АН СССР в 1974;1984 гг (7 докладов).

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 190 страницах машинописного текста с приложением 41 рисунка, 7 таблиц и списка литературы (125 наименований).

Выводы.

I. Основной проблемой палеореконструкций, выполняемых по результатам изучения ледяного керна, является возрастная привязка глубинных профилей. Для относительно тонких субполярных ледников в настоящее время применяются в основном математические модели. Одна из наиболее часто используемых стационарных моделей Ная даёт удовлетворительные результаты лишь для вершин ледниковых куполов до глубин ½−2/3 от их толщины. Наши структурно-стратиграфические исследования кернов шпицбергенских ледников обнаружили, что скорость вертикальных деформаций слоёв льда в глубине ледниковой толщи можно определить, если сравнить толщину прослоев инфильтрационного льда в слоях фиксированной толщины (длины керна), в которых относительное содержание этой генетической разновидности льда равны. Используя эти данные, была разработана модель (уравнение 5.4), которая позволяет рассчитать возрастную шкалу для любой точки ледника в холодной фирновой зоне независимо от его морфологического типа. Сравнение наших датировок с датировками по модели Ная обнаружило, что модель Ная в целом завышает возраст льда. Наименьшее расхождение возраста придонного льда получено на вершине ледникового купола Западное ледяное поле, наибольшее — на горно-покровном ледниковом плато Ломоносова.

2. Для~" палеорёографических реконструкций необходимо использо-^ вать комплекс разносторонних данных, отражающих сложные внешние и внутренние взаимодействия ледников. Такой подход позволяет не только проверить полученные результаты, но также выяснить причины, вызвавшие изменения в строении и гидротермики ледников в прошлом.

3. Комплексный анализ результатов изучения кернов и скважин на шпицбергенских ледниках позволяет сказать, что изменения типов льдообразования на разных ледниках происходили примерно в одно и то же время. В целом эти изменения синхронны изменениям в строении и изотопно-геохимическом составе льда ледников Западной Арктики. Наиболее продолжительное и существенное изменение ледники испытали во время «малого ледникового периода», когда высоко расположенные ледники выхолаживались — температура деятельного слоя некоторых из них понижалась на 2,5°С ниже современной^ низко расположенные ледники были «тёплыми», водонасыщепны-ми и водопроницаемыми. Последовавшее с сердины XIX века потепление в первую очередь отразилось на низких ледниках — на них тёплое фирновое льдообразование сменилось фирново-ледяным и ледяным.

Это привело к выхолаживанию верхних I/3-I/2 частей их толщ, при этом ниже оказались «тёплые» слои льда с температурой плавления. Высоко расположенные ледники в это время в целом стали теплее.

4. Климатические условия прошлого на архипелаге Шпицберген характеризуются сравнительно постоянными скоростями снегонакопления на протяжении последних 500−600 лет. Во время «малого ледникового периода» средняя температура воздуха летом была на 0,4°С ниже современной, а средняя годовая — на 1 °C.

— 176 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Полученные в ходе исследований результаты и их анализ позволяют сделать слудующие выводы:

1. В ледораздельных областях покровных и горно-покровных ледников, где влияние динамических факторов мало, основными процессами формирования неоднородностей строения (структуры льда и стратиграфии ледниковой толщи), изотопно-химического состава льда и гидротермики ледниковой толщи являются аккумуляция, таяние, инфильтрация и повторное замерзание талой воды на их поверхности или в их толще.

2. Результатом участия воды в осадочно-метаморфическом льдообразовании является наличие в толще ледников нескольких генетических разновидностей льда, генезис которого можно установить путём статистического анализа удельного содержания, размеров и объёмов воздушных включений в нём. Количественные соотношения и толщины прослоев льда разного генезиса в ледниковых толщах зависят в основном от типа льдообразования, аккумуляции и таяния. Стратиграфические характеристики ледяного керна позволяют установить тип питания, гидротермический режим и климатические условия, имевшие место на ледниках в прошлом, определить скорость вертикального сжатия слоёв льда по глубине ледниковой толщи в холодной фирновой зоне и рассчитать возрастную шкалу для глубинных разрезов, получить зависимость количества инфильтрадионного льда в керне от температуры воздуха периода абляции и рассчитать палеотемпературы.

3. Температура на нижней границе деятельного слоя ледников в разных зонах льдообразования зависит от соотношения таяния и аккумуляции. Установленная эмпирическая региональная зависимость показывает, что потепление климата (усиление таяния) или уменьшение скорости аккуг/уляции в холодной фирновой зоне и в области абляции приведёт к повышению температуры ледниковой толщи, в то.

— 177 время как в тёплой фирновой и фирново-ледяной зонах это вызовет понижение температуры. При похолодании или увеличении скорости аккумуляции изменения температуры ледниковой толщи будут противоположными. Таким образом, реакция разных ледников или их отдельных зон на изменения климата не однозначная — на некоторых из них имеет место контрфазное изменение температуры ледниковой толщи.

4. В глубине ледниковой толщи в тёплой фирновой зоне жидкая вода существует в микроканалах. Установлено, что многие ледники на Шпицбергене содержат до 3,8% жидкой воды в толще, по-видимому, в виде таких микроканалов. Оценки свидетельствуют, что такое количество воды примерно в 8 раз уменьшает скорость выхолаживания ледников при смене климатических условий и типа льдообразования на их поверхности.

5. Основные изменения типов питания и гидротермического режима ледников на Шпицбергене происходили примерно в одной хронологической последовательности с изменениями климата на ледниках Западной Арктики. Наиболее существенные изменения климата за историческое время имели место во время «малого ледникового периода» в ХУП-Х1Х веках, когда средняя температура воздуха летом на Шпицбергене понижалась на 0,4°С, а средняя годовая — на 1 °C. Осадки на ледниках в течение последних 500−600 лет выпадали примерно с той же интенсивностью, что и в настоящее время.