СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИЧИНАХ И МЕХАНИЗМАХ ОЛЕДЕНЕНИЙ ЗЕМЛИ

Считается, что планета, на которой мы живем, переживает необычайно теплую эпоху, типичную для межледниковий. По тому, как мы испытываем в течение года сезонные изменения климата, высказывается мысль, что наша планета проходит через определенные стадии климатических ритмов, и в настоящее время на Земле распространилась необычайно теплая эпоха (Джон, Дербшир и др., 1982). В научных трудах отмечается чрезвычайно важное планетарное воздействие льда, достаточно сказать, что 75% ресурсов пресной воды сосредоточено в ледниках.

Г.Ф. Лунгерсгаузен (1957), изучая ритмическую слоистость осадочных отложений экзогенного типа, пришел к выводу о существовании малых климатических ритмов в 3, 5, 11, 20-24, 35, 70 лет, обусловленных изменениями солнечной активности. Наряду с короткими Г.Ф. Лунгерсгаузен выделяет длительные ритмы порядка 175-200 млн лет. Длительные ритмы, связаны, как он полагает, с периодом полного обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики. По его мнению, эта величина находит хорошее подтверждение в периодичности общепланетарных оледенений Земли. Исключив из рассмотрения оледенения местного значения, Г.Ф. Лунгерсгаузен, приводит ряд фактов, указывающих на существование периодичности великих оледенений порядка 190-200 млн лет, связанных с орбитальным перемещением Солнечной системы. По его мнению, существование таких оледенений пока еще не удалось доказать в архее, отложения которого недостаточно изучены, хотя следы оледенения в течение этой эры установлены в Южной Африке. Серьезной помехой на этом пути является глубокий метаморфизм пород, препятствующий раскрытию их первичной природы (Алпатьев, 1969).

Н.М. Страхов (1962, 1963), рассматривая общие закономерности осадкообразования на Земле, пришел к выводу о существовании трех последовательно сменявших друг друга типов климатической зональности в послепротерозойской истории Земли: нижнепалеозойского, верхнепалеозойского и современного мезокайнозойского. При этом смена одного типа климатической зональности другим происходила приблизительно через 150-160 млн лет (Алпатьев, 1969).

На рис. 2.1 приведены периодические события, произошедшие на планете в течение палеозоя. Однако не установлены окончательно ни механизм движения платформенных ледниковых покровов, ни причины оледенений планеты.

Существует несколько гипотез, объясняющих значительные перемены в погодных условиях внешними и внутренними факторами.

Гипотетическая последовательность ледниковых и «теплых» периодов, сопоставление периодов горообразования и регрессий моря со временем оледенений (Джон, Дербшир и др., 1982)

Рис. 2.1. Гипотетическая последовательность ледниковых и «теплых» периодов, сопоставление периодов горообразования и регрессий моря со временем оледенений (Джон, Дербшир и др., 1982)

К внешним факторам чаще всего исследователи относят астрономические изменения, такие как колебания солнечной радиации и изменение орбиты, обращающейся вокруг Солнца, изменения атмосферы (Миланкович, 1939; Большаков, 2011). Считалось, что для того чтобы Земля оделась во льды, необходим мощный толчок извне. В начале XX века геологи А. Пенк и Е. Брикнер, изучая альпийские оледенения, установили относительную хронологию послеледниковой и межледниковых эпох четвертичной истории Альп. Затем им удалось получить численное выражение интенсивности климатических изменений в виде ломаной линии перемещения снеговой линии во времени, которую называют климатической кривой Пенка-Брикнера (Гаршин, 2013). Миланкович подсчитал, каковы действительные сочетания этих трех изменений. Он построил кривую, которую назвал «Солнечная радиация летней половины года в высоких широтах в четвертичное время за 650 тысяч лет». На инсоляционных кривых Миланко- вича и на палеоклиматическом графике Пенка и Брикнера ледниковые эпохи запечатлены в виде коротких резких пульсаций, отделенных друг от друга длинными интервалами межледниковий.

В. Кеппен (W. Кбрреп) отметил поразительное сходство кривых Пенка-Брикнера и Миланковича (Герасимов, Марков, 1939). А Эберл (В. Ebrel), проведя детализацию истории ледникового периода Альп, построил свою кривую, чьи экстремумы также совпали с пиками кривых Пенка-Брикнера и Миланковича (Гаршин, 2013). В кривой Эбер- ла ледниковые выступы, направленные книзу, группируются попарно или по три вместе. И в этом отношении Эберл детализирует Пенка- Брикнера (Герасимов, Марков, 1939). Удовлетворительно описывая динамику похолоданий и потеплений внутри ледникового периода, теория Миланковича не отвечает на вопрос о наступлении самого этого периода. Расчеты, произведенные Миланковичем, были затем повторены с небольшими уточнениями рядом авторов.

Последние наиболее детальные расчеты провели астрономы Ш.Г. Шараф и Н.А. Будникова (1967) на период 30 млн лет в прошлое и на 1 млн лет в будущее время (Монин, Шишков, 1979). Эти периоды в целом соответствуют представлениям А.С. Монина, Ю.А. Шишкова (1979) о продолжительности колебаний климата в плейстоцене. Эквивалентные широты колебались в пределах 58-79° (т.е. довольно значительно) с преимущественными периодами в 41 тыс. лет и 1,2 млн лет. Построенные Ш.Г. Шараф и Н.А. Будниковой (1969) графики хода эквивалентных широт показаны на рис. 2.2.

Эквивалентные широты для Qs (650 с. ш.) за последний 1 млн лет (а) и на 1 млн лет вперед (б) (Монин, Шишков, 1979)

Рис. 2.2. Эквивалентные широты для Qs (650 с. ш.) за последний 1 млн лет (а) и на 1 млн лет вперед (б) (Монин, Шишков, 1979)

В.А. Епифанов (2006, 2007) исследовал взаимосвязь периодичности изменения климата, колебания уровня моря, тектонической активности, внедрения якутских кимберлитов и накопления нефти. Являясь сторонником пульсационной концепции, В.А. Епифанов связывает эти процессы с периодическими глобальными пульсациями земного шара, причиной которых он считает циклические факторы при движении Солнечной системы вокруг центра Галактики. В.А. Епифанов выявил следующие геогалактические циклы (рис. 2.3):

  • 1. 216 млн лет (1 галактический оборот): а) массовые вымирания органического мира (строка 7); б) период нефтенакопления (строка 5).
  • 2. 432 млн лет (2 галактических оборота), «трицикл тектогене- за»: а) колебания уровня Мирового океана (строка 7); б) динамика активности рифтогенеза и спрединга (строка 4); в) чередование холодных и теплых климатических эр (строка 6). В первую половину этого цикла начинается и завершается глобальное расширение Земли, а во второй - ее сжатие, во время которого формируются суперконтиненты. Ледниковые периоды группируются в гляциоэры, которые совпадают с глобальным сжатием планеты, что может быть отчасти объяснено континентализацией Земли. А при каждом расширении планеты наступает термоэра.
  • 3. 864 млн лет (4 галактических оборота), «мегацикл геогенеза»: Чередование океанизации (преобладающего спрединга) в Северном и Южном полушариях указывает на необходимость объединения двух «трициклов тектогенеза» в единый мегацикл геогенеза. В его рамках в первую глобальную пульсацию (1-й трицикл тектогенеза) в фазу расширения Земли, в основном, «раздувается» Южное полушарие, вследствие чего материки оттесняются в район Северного полюса, где они в фазу сжатия планеты формируют суперконтинент. Во вторую глобальную пульсацию (2-й трицикл) наблюдается обратное - в фазу расширения радиус Земли растет за счет распада суперконтинента и океанизации в Северном полушарии, а в фазу глобального сжатия на юге формируется новый суперконтинент.
  • 4. 144 млн лет (2/3 галактических оборота): цикл тектогенеза. В. А. Епифанов полагает, что за 432 млн лет происходит 3 цикла тектогенеза (строка 2). Поэтому период в 2 галактических оборота он называет «трициклом тектогенеза».
  • 5. 86,4 млн лет (2/5 галактических оборота): «драконический период». В.А. Епифанов считает, что этот цикл (строка 3) представляет собой ритм синусоидального пересечения Солнечной системой плоскости Галактики. Полупериоды этих ритмов (выделены квадратами на рис. 2.3) хорошо согласуются с ломаной кривой активизации рифтогенеза и спрединга и контролируют время формирования и распада Пангеи, а также закономерно сочетаются с трициклом тектогенеза (5 полупериодов по 43,2 млн лет). Хотя по мнению И.К. Гаршина, расстояния между максимумами и минимумами динамической кривой кратны периоду около 50 млн лет. Также этот цикл является вторым шагом в периодичности массовых вымираний (Гаршин, 2013).
Единство геологических циклов и галактических пульсаций по В.А. Епифанову (Гаршин, 2013)

Рис. 2.3. Единство геологических циклов и галактических пульсаций по В.А. Епифанову (Гаршин, 2013)

С середины 1950-х годов стал расти интерес к внутренним факторам, «земным» гипотезам оледенений, переносящим акцент на динамические взаимодействия в системе «оледенение - океан - атмосфера»; «обратных парниковых эффектах», порождаемых изменениями атмосферного соотношения СО2/О2, и о работе морских течений при различном расположении материков. В соответствии с расчетами влияния планетарных возмущений, вызываемых изменениями эксцентриситета орбиты, прецессиями и нутациями Земли похолодания за последний миллион лет наступали до 6 раз (Лосев, 1986).

К внутренним факторам Б. Джон, Э. Дербшир и др. относят перемещения земной коры, горообразование, понижение уровня мирового океана, рассматривающееся проявлением расширения Земли. Образование суперконтинентов, изменения в недрах Земли (изменения магнитного поля Земли), основанные на гипотезе Вегенера (1912) движения материков, глобальные изменения климата, под воздействием климатического механизма обратной связи отнесены также к внутренним факторам, способствующим к резким изменениям климата на планете (Джон, Дербшир и др, 1982).

Количественные изменения материальной субстанции ледниковых периодов считаются наиболее простым объяснением смены климатических условий. Подразумевается, что колебания климата и ледниковые периоды есть не что иное, как следствие разрастания и сокращения ледниковых покровов. Эта тема является предметом оживленных дискуссий среди климатологов и в настоящее время.

Климатологи М. Юинга и У. Донна (1956), задавшись вопросом - а почему оледенение не возникает сейчас, когда температурные условия Арктики вроде бы вполне тому благоприятствуют, - они сочли это следствием дефицита осадков (Еськов, 2008). Главный тезис их гипотезы: решающее условие возникновения оледенения в Арктике - усиление притока несущих влагу воздушных масс и усиление снегопадов; от этого ледник начинает нарастать, альбедо увеличивается, температура падает. При отсутствии покрова морских льдов этот океан должен становиться мощнейшим испарителем, воздух над ним - «заряжаться» водяным паром, а интенсивность снегопадов над окружающей сушей - резко возрастать; рост альбедо доводит падение температуры до ледниковой эпохи. В некоторый момент похолодание достигает той точки, когда Ледовитый океан вновь замерзает, и тогда начинается дегляциация: потеряв главный источник атмосферного питания, ледниковые покровы начинают «съеживаться». Ледник тает, и при этом уровень океана повышается, ветви теплого Североатлантического течения вновь прорываются в Арктику, растапливают ее морские льды - и цикл начинается снова. Существование этой парадоксальной автоколебательной системы, в которой оледенение порождается потеплением, а дегляциация - похолоданием, нашло недавно косвенное подтверждение при изучении донных отложений Атлантики: оказалось, что в плейстоцене Гольфстрим периодически исчезал; при этом выяснилось, что один из наиболее убедительных ответов состоит в том, что по достижении ледником некого порогового размера над ним (именно из-за высокого альбедо) возникает постоянно действующий антициклон (область высокого атмосферного давления), который усиливается по мере роста ледника и, в конце концов, лишает его «питания» - осадков. Таким образом, климат перигляциальных (окружающих ледник) территорий должен быть холодным и сухим - что полностью подтверждается палеонтологическими данными (Еськов, 2008).

Математики, исследователи динамических систем (Глейк, 2001), выдвигают гипотезу, основанную на различных типах поведения динамических систем. В 1960-х годах Э. Лоренц, климатолог по профессии, попытался вывести долгосрочные средние значения погодных характеристик для определенных зон земного шара и найти физические причины перехода Земли к ледниковому климату. Принципиальная постановка вопросов, в общем виде, сводилась к следующему: были ли упомянутые временные отрезки «ледникового» климата периодами отклонений от стабильных долгосрочных погодных условий или система, подобная погоде, никогда не усредняется? В соответствии с описанным Э. Лоренцом определенным типом поведения динамической системы, названным им квазиинтразитивностью, в течение длительного времени «система» ведет себя примерно одинаково. Погодные флуктуации остаются в определенных границах, затем без всякой какой бы то ни было причины система резко меняет свое поведение, все еще колеблясь, но обнаруживая уже другое среднее (принцип аттрактора Лоренца, рис. 2.4) (Глейк, 2001).

Эта гипотеза представляется математикам, исследователям динамических систем, вполне убедительным объяснением того, почему в истории Земли случались ледниковые периоды, наступавшие через случайные промежутки времени.

Одной из самых сложных остается проблема описания закономерностей и моделей движения ледниковых покровов. К настоящему времени ледниковые покровы и многообразие форм течения льда на больших площадях сохранились в Гренландии и Антарктиде. Там и сегодня можно наблюдать разнообразные по внешнему облику и характеру движения типы ледников.

Проблемы перемещения ледниковых покровов как фактора ледового литогенеза рассматривались в научной литературе в связи с различными моделями движения. Вязкопластическая модель Бингама- Шведова несет в себе элементы различных моделей, а именно: пластической модели Сен-Венана, вязкой Ньютона, тела горного массива Салустовича, релаксирующей модели Максвелла, неупругой модели (модели последействия) Кельвина (Вялов, 1961). Эта модель является, с одной стороны, универсальной.

С другой стороны, в приложении к описанию движения ледниковых покровов теория вязкопластического течения дает возможность установить аналитическую связь между такими основными факторами, как приход и расход твердых осадков; температура ледникового покрова; уклон ложа и очертания поверхности покрова; распределение напряжений и скорости движения ледника.

Аттрактор Лоренца

Рис. 2.4. Аттрактор Лоренца. Это магическое изображение (внизу), напоминающее маску совы или крылья бабочки, стало эмблемой первых исследователей хаоса. Оно раскрывает тонкую структуру, таящуюся в беспорядочном потоке информации. Изменение значений любой переменной может быть показано графически в зависимости от времени (сверху). Чтобы продемонстрировать меняющееся соотношение между тремя переменными, достаточно предположить, что в каждый момент три переменных фиксируют нахождение точки в трехмерном пространстве; по мере изменения системы перемещение точки описывает непрерывную линию. Поскольку состояние системы никогда точно не повторяется, траектория не пересекает сама себя, образуя лишь новые и новые петли. Движение в аттракторе абстрактно, тем не менее оно передает особенности движения реальных систем. Например, переход от одного из «крыльев» аттрактора к другому соответствует началу обратного хода водяного колеса или изменению направления вращения жидкости при конвекции (Глейк, 2001)

В настоящее время наиболее сложной и наименее разработанной проблемой является характеристика условий на ложе ледника (Лосев, 1986) На Голубом леднике (США) обнаружены следы деформаций на нижней поверхности в виде частых борозд, вытянутых по движению. На этом же леднике установлено, что движение ледника сопровождалось таянием льда. Экспериментальное бурение глубоких скважин в Антарктиде показывает, что под самым холодным ледниковым покровом не существует многолетнемерзлых пород. Математические модели подледных геофильтрационных процессов свидетельствуют о существовании подледных дренажных систем в виде кольцевых структур с большим (порядка 30 МПа) гидростатическим давлением. Инженерно-геофизическими исследованиями на леднике Ламберта установлено двухслойное строение покрова, в котором нижний слой мощностью от десятков до сотен метров представляет собой слой тающего льда.

Строение ледниковых покровов представляет интерес в связи с проблемой формирования ледниковых отложений на обширных территориях планеты и их свойств, как вмещающей среды и оснований сооружений. Основания толщ выводных ледников Гренландии и антарктического ледового покрова по своему строению, структуре и текстуре напоминают структуры и текстурные рисунки верхних слоев ледниковых отложений платформенных ледниковых покровов, вскрытых в глубоких строительных котлованах в районе Клинско-Дмитров- ской гряды. Эти наблюдения фактического строения толщ в котлованах дают основание полагать, что наиболее динамически активные зоны разных типов ледников (горных и материковых) имеют общие закономерности формирования ледниковых отложений. Таким образом, выводные ледники в краевых частях материковых ледовых покровов, аналогичные по внешнему облику и характеру движения горным, являются составной частью платформенного ледового литогенеза.

При мощности ледового покрова от 3 до 4 км и более (в максимальный период развития), уклон его ложа по результатам исследований антарктического ледового покрова оказывает существенное влияние на общие закономерности и скорость движения ледников, а также на накопление грунтов в его основании (Лосев, 1986). Кроме того, маломощная (до 100 м) грунтовая толща основания является частью целого, и ее формирование подчинено общим закономерностям формирования и разрушения ледового покрова. На огромных территориях, в частности, на территории Русской равнины, при строительстве мы имеем дело именно с этой прослойкой в основаниях сооружений, и эта прослойка при установленной инженерно-геологическими исследованиями последовательности элементов закономерно построена.

Изучение геологических элементов ледниковых отложений, масштаба, строения и инженерно-геологических свойств толщи на территории от Валдайской возвышенности до Клинско-Дмитровской гряды дает основание полагать о существовании внутреннего подобия строения толщи и ледового покрова, представляющего собой повторение большого в малом. Распределение плотности моренных суглинков в толще из трех горизонтов показывает наибольшее ее значение в средней части толщи ледниковых отложений. Это может быть обусловлено случайным расположением горизонтов в толще, но одинаковое распределение плотности во всех трех горизонтах случайным быть не может. Аналогичное распределение плотности льда установлено в ледовом покрове Антарктиды.

Изучение ледового покрова в Антарктиде показывает, что в его кровле на глубине 100 м плотность льда в 3 раза превышает плотность снега на поверхности, но в его структуре еще существуют пузырьки воздуха. На глубине 1000 м пузырьки воздуха практически отсутствуют, а плотность льда достигает наибольших величин (Лосев 1986). На нижней кромке ледового покрова, по данным глубокого бурения и геотермальных, инженерно-геофизических исследований, зафиксированы растепление ледовой толщи и изменения структуры льда за счет его деформирования, что приводит в конечном счете к изменению плотности льда.

Распределения плотности в каждом из горизонтов ледниковых отложений в отдельности показывают наибольшие значения плотности в слоях массивных суглинков средней части горизонтов, и этому есть объяснение. В верхних и нижних слоях отдельно взятого горизонта наблюдаются наибольшие изменения состава и свойств грунтов вызванные факторами генезиса горизонтов ледниковых отложений. Аналогичная направленность, по-видимому, прослеживается по возрастанию масштаба от грунтовой прослойки в основании к ледниковому покрову в целом.

Исходя из таких представлений (повышенной активности на верхней и нижней границах), описываются блоки континентальных ледниковых щитов в математических моделях (Рыбак, 2008). На поверхности щита в климатическом блоке рассчитывается баланс массы твердых осадков и расходов за счет таяния (аккумуляции и абляции). В блоке ледникового щита описывается процесс растекания льда под действием гравитации, баланс массы на нижней границе определяется скоростью базального таяния. При этом отмечается, что узлы расположены неравномерно, уплотняясь ко дну, чтобы учесть с максимальным правдоподобием особенности деформирования льда, которые сосредоточены в основном в нижней его части.

Работами исследователей Антарктической экспедиции изучены основные закономерности деформирования льда (Шумский, 1955; Вялов, 1961). На основе закономерностей и натурных наблюдений определены основные факторы, влияющие на движение льда и ледового покрова Антарктиды. Подразумевается, что закономерности движения льда одни и те же вне зависимости от местоположения ледников. Однако результаты деятельности горных ледников и материковых оледенений различны. Это дает некоторым авторам повод для опровержения ледниковой гипотезы в целом (Предовский, Скуфьин, Чу- вардинский, 2013).

Известна взаимосвязь сейсмических явлений, вызванных деформированием ложа водохранилищ при их наполнении (Тиздель, 1981), а между тем вес водохранилищ, глубина которых редко превышает 200 м; неизмеримо меньше веса ледового покрова.

Количественные методы описания процессов деформирования земной коры во времени под воздействием веса ледника базируются на теории упруговязких оболочек и балок на упругом или вязком основании (Надаи, 1969). Рассмотренный А. Надаи случай деформирования базальтовой оболочки Земли толщиной 50 км плотностью 3 т/м под действием веса льда мощностью 3 км плотностью 1 т/м, дает прогибание поверхности под фронтом ледника на 600 м при максимальном прогибе слоя 1000 м (Цытович, Мартиросян, 1981). Вместе с тем известно, что на величину деформаций в расчетном блоке существенное влияние оказывают граничные условия, принимаемые в расчетах. Если принять в расчетах толщину оболочки меньше 50 км, то и величина прогиба будет меньше, и наоборот. В этом контексте обоснованное задание границ расчетного блока, сочетание допустимых упрощений и реальных характеристик исследуемого объекта - непременные условия для успешных расчетных исследований и прогнозирования. Кроме того, практика строительства крупных гидротехнических сооружений показывает, что результаты сопоставления величин расчетных деформаций, принимаемые в проектах сооружений, и деформаций, установленных натурными наблюдениями, отличаются в 2-2,5 раза в меньшую сторону.

В связи с целевыми задачами изучения территорий разрабатываются и применяются геолого-геоморфологические методы описания процессов деформирования земной коры во времени. К примеру, о масштабе и величинах деформаций поверхности Земли исследователи судят по мощности террас крупных рек.

Г.И. Обедиентовой (1977) разработана оригинальная методика определения границ оледенений на основании закономерностей распространения ледниковых форм рельефа и появлении новых террас реки Волги, а также реконструкции эрозионных циклов формирования долины. По мнению Г.И. Обедиентовой, днепровская морена залегает плащеобразно, выстилает не только древние долины, но и водораздельные пространства. Отсутствует она лишь на наиболее возвышенных участках. Параллельно ей, образуя почти сплошной покров, лежит московская морена (рис. 2.5).

Общее тектоническое развитие Русской равнины, усугубленное процессами гляциоистазии и аккумуляции, привело к выравниванию рельефа территории, бывшей подо льдом. Глубокие размывы не были характерны для днепровско-московского межледниковья. На геоморфологических картах Г.И. Обедиентовой (1977) отсутствуют границы калининского оледенения в строении долины р. Волги на протяжении от Ржева до Кашина. Граница Валдайского оледенения южнее Сели- жарово установлена К.К. Марковым (1939) и подтверждена Г.И. Обедиентовой (1962). На юго-востоке Валдайской возвышенности в бас-

1

сейне реки Молодой Туд выделяются два горизонта ледниковых отложений, которые одни относят к двум стадиям московского оледенения, другие - нижний горизонт, к стадии днепровского оледенения (М.Р. Исламова, 1983)5. Отложения днепровской морены на территории возвышенности установлены по результатам минералогического анализа образцов из нижнего горизонта. На левом берегу р. Волги отложения днепровской морены залегают на флювиогляциальных отложениях, а их мощность достигает 14 метров. На правом берегу мощность отложений днепровской морены значительно меньше, а залегают они фрагментарно на известняках карбона.

Схема строения погребенной доледниковой и современной долин Волги в зоне московского оледенения

Рис. 2.5. Схема строения погребенной доледниковой и современной долин Волги в зоне московского оледенения (по Г.И. Обедиентовой, 1977). 1 - аллювий; 2 - комплекс аллювиальных, озерных и водно-ледниковых отложений; 3 - морена

О величинах деформаций земной поверхности можно судить по величине врезов переуглубленных долин отдельных рек, таких например, как река Даугава и река Кунья, и закономерным чередованиям в переуглублениях базальных гравийно-галечниковых горизонтов. [1] [2]

  • [1] Разрезы межледниковых отложений в бассейне Верхней Волги с лихвиг
  • [2] подобными флорами. М., 1986. Фондовые материалы института Гидропроею
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >