Закономерности формирования мощности и температурного режима многолетнемерзлых толщ

6.Закономерности формирования мощности и температурного режима многолетнемерзлых толщ

 

6.1. Современные представления о развитии многолетнемерзлых пород

Многолетнее промерзание  горных пород начинается в случае, если их среднегодовая температура  на подошве слоя сезонного промерзания переходит через ноль градусов в сторону отрицательных значений. Глубина промерзания, соответственно, и мощность мерзлых толщ, как следует из законов Фурье, определяется температурой и амплитудой ее колебаний на поверхности пород, а также длительностью периода колебаний. Сухие и слабовлажные породы при прочих равных условиях промерзают интенсивнее и на значительно бóльшую глубину, чем влагонасыщенные.

В недавнем геологическом  прошлом, в конце позднего плейстоцена, климат Земли в северном полушарии был очень суровый, намного холоднее современного, поэтому тогда на огромных территориях существовали благоприятные условия для глубокого промерзания недр. В голоцене наступило потепление, особенно ощутимое в середине периода, и криолитозона стала сокращаться как по площади, так и в разрезе, т.е. началась деградация мерзлоты. Насколько правомерен такой вывод?

Впервые теория деградации мерзлых толщ обосновывалась в работах М.И.Сумгина, который сделал вывод о том, что многолетняя мерзлота возникла в периоды крупных оледенений и поэтому должна сокращаться вслед за таянием ледников. В подтверждение этому им приводились данные о смещении южной границы многолетнемерзлых толщ к северу. Однако уже к середине прошлого века появились данные о новообразовании мерзлых толщ и понижении температуры горных пород. Такие ученые, как П.И.Колосков, С.Г.Пархоменко, Д.В.Редозубов и др., придерживались противоположной М.И. Сумгину точки зрения и предполагали усиление (аградацию) мерзлоты. Связан этот процесс, по мнению авторов, с современным похолоданием, которое началось несколько тысячелетий тому назад.

М.И.Сумгин в качестве одного из основных доказательств своей теории привел данные о распределении температуры горных пород по скважине в районе п. Сковородино (рис. 6.1).

На кривой температур видно, что наиболее низкие значения температуры находятся не вблизи поверхности, а на значительной глубине. Отсюда сделан вывод о повышении  температуры с поверхности, которое  распространяется вглубь массива пород. Однако, во-первых, вывод может быть справедлив для одномерного температурного поля и не отражать термический режим пород массива; во-вторых, наблюдаемое повышение температуры пород в верхней части разреза может быть вызвано короткопериодным колебанием климата, что не может свидетельствовать о глобальности явления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6.1. Температура горных пород в

               п.Сковородино (по данным М.И.Сумгина):

1 – граница  слоя сезонного протаивания; 2 –  подошва слоя годовых колебаний  температуры; 3 – предполагаемая граница мерзлых пород

 

Под деградацией мерзлых  толщ следует понимать такое изменение  теплового состояния мерзлых  пород, которое сопровождается уменьшением  их мощности, площади, изменением их физико-механических свойств и конфигурации мерзлой  зоны (Общее мерзлотоведение, 1974).  Температура мерзлых пород может меняться вне зависимости от остальных параметров, но изменение их мощности всегда сопровождается температурными изменениями. Главным условием и признаком деградации мерзлых пород является скачкообразное уменьшение теплового потока при его переходе из талых пород в мерзлые (q_т>q_м).

Современная деградация нестационарных мерзлых пород вызвана  медленным потеплением климата  за последние 15-20 тыс. лет. По данным В.Т. Балобаева современная скорость оттаивания мерзлых пород снизу во многих районах Сибири, Якутии и Северо-Востока России составляет 1-2 см/год и это никак не проявляется в их термическом режиме. Наиболее сложная картина наблюдается в Западной Сибири, где широко развита несливающаяся «мерзлота». В этом регионе древние толщи глубоко протаяли сверху и сейчас находятся в деградационном состоянии, а с поверхности образовалась новая толща мерзлых пород, для оттаивания которой снизу нет условий, потому что глубинное тепло перехватывается реликтовой «мерзлотой».

Как показывают палеокриологические  исследования, мощность мерзлой зоны и ее площадь в начале голоцена были значительно больше современных  значений. Можно говорить о глобальной деградации мерзлых толщ во всем северном полушарии, хотя в каждом регионе имеются свои особенности. Таким образом, идея М.И.Сумгина о деградации вечной мерзлоты нашла свое подтверждение в многочисленных фактах. Вместе с тем в отдельных пунктах на фоне общего деградационного состояния мерзлых толщ отмечается увеличение их мощности, а иногда и новообразование с поверхности. Причины этого явления всесторонне исследованы В.А.Кудрявцевым.

Термический режим горных пород верхней части земной коры зависит от теплообмена через  поверхность земли. Периодические  изменения теплообмена определяют динамику температурного поля горных пород. Колебания климата имеют различную периодичность и размах и отражаются на различных глубинах в горных породах. Временной ход температуры на поверхности горных пород и в толще мерзлоты представляет собой сложение температурных колебаний с различными периодами и амплитудой. В настоящее время выявлены длиннопериодные колебания температуры, связанные с космическими факторами, и колебания средней продолжительности – от десятков до сотен и тысяч лет, причина которых не всегда понятна.

При распространении  температурных колебаний в земной коре согласно законам Фурье происходит затухание амплитуды колебаний  с глубиной и запаздывание фазы колебаний  по времени; температурные колебания  с небольшим периодом проникают  на малую глубину (годовые всего на 15-20 м). Следовательно (по В.А. Кудрявцеву), с продвижением вглубь пород постепенно исчезают колебания меньших периодов, проявляются только длиннопериодные колебания температур, глубина распространения которых также имеет свои пределы. На рис.6.2 линией АВ показано линейное повышение мощности криолитозоны с продвижением на север и наложение на эту общую закономерность температурных колебаний с различными периодами. При этом принято: колебания температуры с периодом 10-ть лет вызывают деградацию мерзлых толщ, а колебания с периодами 40 и 300 лет соответственно – аградацию и деградацию, причем влияние 40-летних колебаний сильнее, чем 400-летних.

 

Рис.6.2. Схема возможных изменений мощности мерзлых толщ с юга на север при наложении колебаний температур различных периодов (по В.А.Кудрявцеву)

 

В верхнем слое пород  проявляются все температурные  колебания с различными периодами  и фазами, а в результате их сложения формируется деградационная  кривая. В слое II 10-летние колебания не прослеживаются, а происходит наложение друг на друга 40- и 300-летних колебаний − идет нарастание мощности криолитозоны; в слое III будут только колебания с периодом 300 лет, которые оказывают деградационное воздействие на криолитозону. Таким образом, на одной и той же глубине в разные моменты времени или на различных глубинах в одно и то же время, могут наблюдаться как повышение, так и понижение температуры. Следовательно, от факторов времени и глубины зависит проявление деградационных  или аградационных процессов в мерзлых толщах. Разнопериодные колебания могут нарушать общую закономерность повышения мощности мерзлых толщ при движении с юга на север. Развитие криолитозоны есть результат непрерывного сложного процесса: наложение большого количества температурных колебаний, и чем меньше мощность мерзлых толщ, тем больше число этих колебаний.

 

6.2. Зависимость мощности криолитозоны от периодических изменений климата и геолого-географических факторов.

Глубина многолетнего промерзания  и мощность криолитозоны, в соответствии с законами Фурье и условием Стефана, определяется верхними и нижними граничными условиями и литологическими особенностями горных пород. Максимальная глубина многолетнего промерзания может быть выражена следующей зависимостью:

ξ_мн = f( А_ср , t_ср, Т_мн, l, С, Q_ф, ģ),

где: А_ср , t_ср - амплитуда и среднее значение многолетних температур на поверхности; Т_мн, - период их колебаний; l, С – теплопроводность и теплоемкость горных пород; Q_ф - затраты тепла на фазовые переходы; ģ – Величина геотермического градиента.

На основе многочисленных решений  задачи Стефана установлено следующее. Многолетнее промерзание прямо  пропорционально средней за период отрицательной температуре поверхности, по более сложной зависимости  увеличивается с возрастанием амплитуды, прямо пропорционально корню квадратному из периода колебаний температуры и теплопроводности пород. С увеличением влажности пород, за счет увеличения Q_ф, глубина промерзания заметно уменьшается, при этом влияние теплоемкости на ξ_мн невелико. Максимальная мощность мерзлых толщ наблюдается при  низких потоках глубинного тепла и наоборот, резко падает с увеличением градиента температур.

Процесс многолетнего промерзания  пород, как и сезонного промерзания, обычно длится в течение третьей  части периода. Полученные данные показывают (по Ершову, 2002), что мощность мерзлой толщи, формирующейся под влиянием 100000-летних колебаний температуры, нарастает на протяжении примерно 33000 лет. Скорость промерзания в начале процесса будет максимальной, в конце – минимальной. При увеличении затрат тепла на  фазовые переходы воды  глубина промерзания снижается.

Классический пример расчета глубины  промерзания, приводимый в учебниках, выполнен при следующих условиях: Т_мн = 100 тыс.лет, А_мн =6⁰С, t_ср =0⁰С, g = 0.01° С/м, l = 2.89 кДж/(м×ч×°С), Q_ф= 99 219 кДж/м³. Максимальная мощность мерзлых толщ в данном случае составит порядка 180 – 210 м. Если бы «промерзали» сухие породы, то температурная волна могла достичь расчетной глубину уже через 300 лет (вместо 33 тыс.).

 Мощности многолетнемерзлых толщ, связанные с различными периодами колебания температур – 100-, 10000- и 100000-летними, при прочих равных условиях соотносятся как 1:10:32. В силу этого мощности современных ММТ должны отличаться от сформировавшихся до термического максимума голоцена в 3.5-5 раз и последние от верхне- и среднечетвертичных – в 4-5 раз (Мерзлотоведение, 1981).

В предыдущем разделе  указывалось, что сезонное промерзание  грунтов происходит при среднегодовых  температурах поверхности выше нуля градусов, и чем выше амплитуда колебаний, тем глубже промерзание пород.  Глубина проникновения температурной волны связана с ее амплитудой логарифмической зависимостью. Мощность мерзлых толщ может формироваться как при отрицательных, так и положительных температурах на поверхности. Здесь возможны три случая:

1) t_мн < 0°С и А_мн < t_мн;

2) t_мн < 0°С и А_мн > t_мн ;

3) t_мн > 0°С и А_мн > t_мн.

В первом случае многолетнемерзлые  породы существуют в течение всего  периода колебаний температуры, и такой тип промерзания распространен в суровых климатических условиях северной геокриологической зоны. Во втором случае образуются и развиваются мерзлые толщи, которые эпизодически оттаивают с поверхности на некоторую глубину. Такой тип промерзания характерен для зон распространения мерзлых толщ со средними температурами от 0 до минус 2°С. И, наконец, в последнем случае мерзлые породы образуются только в самое холодное время периода. Такой тип промерзания характерен для южной зоны распространения пород со среднегодовыми температурами близкими 0°С.

При многолетнем промерзании  горных пород, которое продолжается иногда многие тысячи лет, существенное значение в формирование максимальной мощности ММТ имеет величина глубинного потока тепла (q). Направленность и скорость продвижения нижней границы «мерзлоты» зависит от соотношения потоков тепла в талой (q_т) и мерзлой (q_м ) зонах по обе стороны границы. В случае равенства потоков тепла температурные условия стационарны и граница неподвижна. Если q_м > q_т, то происходит охлаждение и промерзание пород и мощность ММТ возрастает; в противном случае будет наблюдаться деградация мерзлых толщ снизу.

Величина теплового  потока при прочих равных условиях будет прямо пропорциональна  градиенту температур, следовательно, и мощность криолитозоны больше там, где градиенты низкие. Такие условия наблюдаются на древних кристаллических массивах, в которых градиенты температур не выходят за пределы 0.5-2.0°С/100 м, а величина глубинного теплового поток не превышает 20-25 мВт/м², при этом мощность криолитозоны достигает 800-1000 м. В сейсмически активных районах и в пределах молодых платформ глубина многолетнего промерзания в 1.5-2.0 раза меньше.

Наиболее высокие плотности  тепловых потоков (до 100 мВт/м²) по данным В.Т.Балобаева, характерны для территории Северо-Востока  России, поэтому даже при низких среднегодовых температурах поверхности мерзлых пород (до минус 8-10°С) мощность ММТ не превышает, как правило, 200-250 м. В Западной Сибири величина геотермического градиента изменяется от 1.7 до 6.6°С/100 м (Геокриология СССР…, 1989). В западной части плиты значения градиента повышенные – до 4.5-6.0°С/100 м,  а в восточной – в два раза ниже. Интенсивность тепловых потоков находится в пределах 40-80 мВт/м², при среднем значении равном 56 мВт/ м².

Кроме рассмотренных  факторов на глубину многолетнего промерзания  в значительной степени влияют геологическое  строение, состав пород и гидрогеологические условия. Например, горные породы часто  имеют повышенную теплопроводность вдоль напластования, чем по нормали к пласту. Вследствие этого в сводовых частях антиклинальных складок тепловой поток будет выше, чем в случае горизонтального залегания пород. Отдельные осадочные породы, в первую очередь каменный уголь и углистые сланцы, имеют весьма низкий коэффициент теплопроводности и поэтому в пределах угольных бассейнов мощность мерзлых толщ меньше, чем в окружающих породах. Влияние подземных вод особенно велико в высокопроницаемых зонах разломов, по которым происходит конвективный перенос глубинного тепла.