Подземные льды

Литература: И.Д. Данилов. Подземные льды. Издательство «Недра». Москва. 1990

От автора:

Исследователь, изучающий подземные льды, подобен следопыту. Тот и другой по оставленным в природе следам должен восстановить былые события. Только в одном случае их давность исчисляется часами и днями, а в другом — десятками, сотнями, тысячами и даже миллионами лет. Задача исследователя — выявить эти следы, изучить, сопоставить между собой, провести анализ сопоставлений, наконец, осуществить синтез, обобщение выявленных фактов и на этой основе создать ту или иную научную теорию.

Следы, оставленные в геологической летописи Земли различными процессами, в том числе и мерзлотными, порой очень запутаны, неясны, сходны между собой. Поэтому для расшифровки геологического прошлого привлекаются самые разнообразные современные методы исследований — оптические, геохимические, геофизические, изотопные, палеонтологические, минералого-петрологические и многие другие с использованием самых новейших приборов. Исследователей подземных глубин нередко называют «разведчиками» недр. Они «разведчики» не только в том смысле, что ищут и разведывают полезные ископаемые в земных недрах, но и в том, что ищут ответы на бесчисленные вопросы, которые ставит перед ними природа, разгадывают ее тайны. И что парадоксально: чем далее развивается наука, тем больше возникает перед ней новых проблем. Казалось бы, должно быть наоборот. Современная наука вооружена новейшими техническими средствами. Геология использует космические методы исследований, на ее службе — сверхглубокое бурение, позволяющее заглядывать в земные недра на 12 км и более, новейшая геофизическая аппаратура, оснащенные всем необходимым корабли в океане, электронно-вычислительная техника и т. д. Однако нерешенных вопросов и загадок становится не меньше, а, пожалуй, больше, чем было. Конечно, на многие вопросы наука получила ответы или приблизилась к их решению. Но решение одной проблемы нередко ставит целый ряд новых, более сложных. Например, результаты бурения первой же сверхглубокой скважины опрокинули казавшиеся незыблемыми в течение десятилетий представления о геофизической модели глубинного строения земной коры и поставили перед учеными целый ряд, новых проблем. То же самое можно сказать о космических исследованиях и изучении дна океана. Теперь стало ясным, что надежды на скорое познание с помощью тех или иных сверхсовременных методов сложных природных явлений оказались иллюзорными, ибо наука «никогда не кончается».

Высказанные общие предварительные соображения в полной мере относятся к одной из дисциплин геолого-географического цикла наук о Земле — мерзлотоведению, или геокриологии, изучающей мерзлые горные породы и подземные льды в них. Поэтому пусть читатель не удивляется, когда вместо определенного ответа на целый ряд вопросов он увидит только их постановку, освещение состояния некоторых проблем и предлагаемые пути их решения. Льды на Земле в целом — ледовые покровы морей, ледники и особенно подземные льды — представляют собой загадочное и далеко еще не познанное явление природы. Когда, почему они возникли на Земле, каково их строение, какие условия существования в настоящем и прогноз развития в будущем — вот неполный перечень вопросов, волнующих современных исследователей.

Живя на планете Земля, мы редко задумываемся над тем, что это в значительной степени ледяная планета. Многолетние природные льды занимают огромные территории на поверхности и в верхней части земной коры. К ним относятся области распространения отдельных ледников в горах, ледниковые покровы на суше и морском шельфе, морские плавучие льды и мерзлые толщи горных пород с подземными льдами. Подземные льды — наиболее распространенный по площади вид природных льдов. Согласно подсчетам П. А. Шуйского и А. Н. Кренке, плавучие морские льды — без учета акваторий с отдельными айсбергами — занимают около 26 млн. км², т. е. около 7% площади океана; ледники и ледниковые покровы — около 16 млн. км², а многолетние подземные льды в два раза больше — 32 млн. км², что примерно равно 1/5 площади всей суши! Вне ледников площадь их распространения составляет около 11% суши. Объем подземных льдов в земной коре относительно невелик и оценивается величиной в 0,5 млн. км³, что составляет примерно 2% от общего объема льда на Земле.

Подземные льды — неотъемлемая часть толщ мерзлых горных пород, широко распространенных на континентах в полярных, субполярных и даже средних широтах, в районах с суровым климатом, а также в высокогорьях. На небольшой глубине от земной поверхности, не превышающей обычно первых метров, эти толщи находятся в мерзлом состоянии в течение многих лет, их называют многолетне- или вечномерзлыми, нередко по отношению к ним употребляется термин «вечная мерзлота». Против его использования существуют возражения, поскольку известно, что в мире ничего нет вечного. Предлагается вместо него употреблять термины «многолетняя мерзлота» или «многолетнемерзлые горные породы». Но «вечное» — это не только бесконечное, но и длящееся долго, сохраняющееся веками. Существуют понятия «вечные снега», «вечная любовь», «вечная весна». Все понимают их условность, но охотно пользуются ими. Так же условно понятие «мерзлота», вместо него следует говорить — многолетнемерзлые горные породы, но термин этот слишком громоздкий. Оговорив условность термина «вечная мерзлота», мы будем в дальнейшем им пользоваться, но при необходимости иногда употреблять и широко принятый сейчас в научной литературе термин — многолетнемерзлые горные породы.

Как справедливо полагал основоположник науки мерзлотоведения М. И. Сумгин, вопрос о происхождении мерзлых недр Земли, наземных и подземных льдов имеет глубокий «натурфилософский», т. е. естественно-исторический, мировоззренческий смысл. Порождение ли это современных климатических условий или наследие ледникового периода, т. е. со временем исчезающее явление? А может быть, это показатель общего остывания Земли, начало ее конца, омертвения? Ведь часть воды из верхних слоев земной коры застывает, как бы выходит из круговорота жизни. Может быть, со временем вся Земля оледенеет, покроется холодным панцирем из ледников и толщ мерзлых горных пород? Не такой ли прогноз следует сделать в результате изучения древних подземных льдов? Ответы на все эти вопросы до настоящего времени не были однозначными.

Задача книги — заставить подземные льды «рассказать» о себе: о составе, строении, условиях формирования и развития.

Из недр Земли к ее поверхности движется непрерывный поток тепла. В разных районах он неодинаков, но существует везде. Сверху Земля также получает лучистую энергию Солнца, преобразуемую в тепловую. Однако на ее поверхности возникают ледники, а в недрах — мерзлые горные породы. Это вызвано тем, что Земля вместе с окружающей ее атмосферой не только получает, но и отдает тепло в космическое пространство. От общего баланса тепловой энергии поверхности Земли в том или ином регионе зависит наличие или отсутствие мерзлых горных пород, ледников, плавучих морских льдов. Итак, тепловой баланс — вот основа, определяющая возможность существования льдов в той или иной форме.

Подсчитано, что внешнее энергетическое воздействие на поверхность Земли примерно в десять тысяч раз мощнее воздействия внутренних источников энергии. Главное, следовательно, чем определяется ответ на вопрос, «быть или не быть?» льдам у земной поверхности,— это распределение внешней, солнечной энергии, поступающей на Землю. Ее количество находится в непосредственной зависимости от угла падения солнечных лучей в разных географических широтах. Так, на экваторе угол падения солнечных лучей в полдень колеблется в пределах от 90 до 66,5°, т. е. всегда достаточно большой, а на полюсах от 0 до 23,5°.

Вблизи полюсов солнечные лучи летом падают под небольшим углом к земной поверхности, как бы скользят вдоль нее по касательной, поэтому именно здесь сосредоточены области, где поверхность Земли получает меньше всего внешнего тепла. С 23 сентября по 21 марта Солнце над Северным полюсом вообще не показывается; все это время здесь длится «полярная ночь».

Помимо основного — широтного, или зонального, фактора на распределение тепла на Земле влияют высота местности над уровнем моря, ее рельеф, циркуляция воздушных масс и вод Мирового океана, переносящих тепло из одних широт в другие. Один из ярчайших и всем известных примеров тому — Гольфстрим, достигающий северных берегов Кольского полуострова и растапливающий здесь морские льды в течение всей зимы. Активный западный перенос теплых атлантических воздушных масс на Европу приводит к тому, что даже на широте Полярного круга не везде есть мерзлые горные породы, в то время как в Средней и Восточной Сибири они имеют, как узнает читатель далее, сплошное распространение на широте Ленинграда, Москвы и даже на более южных широтах. Кроме того, здесь сказывается большая высота территории над уровнем моря. Наиболее яркие примеры влияния высоты местности на распределение тепла на поверхности Земли — ледники в горах субтропических, а в ряде случаев и тропических районов мира.

С речными, озерными, морскими льдами человек в практической деятельности соприкасался, вероятно, с самых ранних времен своего существования как биологического вида, а также позднее по мере развития цивилизаций. Поверхностные льды чаще мешали, реже помогали его деятельности. Их надо было изучать, чтобы успешнее плавать среди них, двигаться по ним и т. д. И они были изучены и описаны относительно хорошо. С ледниками человек в своей деятельности столкнулся также достаточно давно. Они влияли на земледелие, разливы рек, имеющих ледниковое питание и другие явления.

Поэтому ледники имеют достаточно давнюю историю исследования и познаны неплохо, хотя, конечно, далеко не достаточно. Мерзлые горные породы и подземные льды в них изучаются сравнительно недавно. Практическая потребность в этом возникла в конце прошлого — начале нашего столетия, когда началось активное промышленное освоение удаленных районов Сибири, Северо-Востока СССР, севера Северной Америки. Именно в это время оформляется как самостоятельная наука мерзлотоведение (геокриология), возникновение и развитие которой, следовательно, было вызвано потребностями народного хозяйства. Строение и инженерно-геологические свойства мерзлых горных пород во многом определяются подземными льдами.

В природных условиях различают несколько типов подземных льдов: кратковременные, сезонные и многолетние. Кратковременные существуют в течение нескольких часов, одних или нескольких суток. Они возникают в самых приповерхностных слоях в областях с сухим, континентальным климатом, особенно в горах при резких суточных перепадах температуры. Сезонные подземные льды образуются на огромных пространствах при зимнем промерзании приповерхностных грунтов на глубину нескольких метров. И первый, и второй типы подземных льдов связаны преимущественно с почвами, длительность их существования не превышает нескольких месяцев. Третий тип подземных льдов связан с постоянно (в течение многих лет и тысячелетий) мерзлыми горными породами, которые и называют вечномерзлыми. Подземные льды существуют в них также в течение многих лет, веков и тысячелетий. Их также можно называть вечными в том смысле, что они имеют многовековой возраст и конца их существованию в обозримом будущем не предвидится. Книга посвящена именно этому типу льдов — наиболее сложному, интересному, во многих отношениях не изученному, имеющему не только важное научно-познавательное, естественно-историческое, но и огромное практическое значение. Наряду с составом, строением, условиями и историей формирования подземных льдов в толщах вечномерзлых горных пород будут также рассмотрены процессы и явления, связанные с их возникновением и исчезновением. Но прежде чем перейти к этим вопросам, несколько слов об истории изучения вечной мерзлоты и подземных льдов в толщах постоянно мерзлых горных пород.