Многолетняя мерзлота

Эта работа синергия творческой мысли профессора Александра Вадимовича Холопцева, Игоря Адамовича Дабахова и Сергея Николаевича Калугина, выпускников МИСиС. Надеюсь, наше плодотворное сотрудничество приведет к удивительным открытиям и интересным для любознательных читателей статьям.

Актуальной проблемой физической географии, геологии и геохимии является выявление природных процессов, способных приводить к формированию на нашей планете многолетнемерзлых пород (ММП), образующих подземный сегмент её Криолитосферы. Поток тепла, поступающий из земных недр в Литосферу, зависит от интенсивности его генерации всеми существующими в них источниками, один из которых — реакции образования гидридов в Мантии. Значения этих потоков существенно повышены в районах существования мантийных Плюмов. На различных этапах геологической истории они отличались от современных уровней.

Общая площадь земной поверхности, под которой в современном периоде встречается многолетняя мерзлота, не менее 35 млн км², что составляет около 23,3% суши [1,2], распространяющаяся на максимальную исследованную глубину до 1370 м в районе Вилюйска [2]. ММП обнаружены не только на суше, но и на шельфах морей Северного Ледовитого и Южного океана [3], образуя, совместно с поверхностным оледенением, криолитосферу нашей планеты. Очевидно, что такое глубинное промерзание почвы не могло быть вызвано событиями на поверхности Земли, поскольку тепло из грунта может уходить лишь через теплопередачу, а теплоемкость льда и почвы препятствует распространению мерзлоты с поверхности глубже 30м. Кроме того, внутренняя энергия планеты прогревает, в среднем, земную кору до 10-20^оС на глубине 1км [2].

Целью работы является: Оценка поглощенной энергии, необходимой для образования реликтовой мерзлоты, и возможные причины её происхождения.

Что известно о многолетней мерзлоте?

Термин «вечная мерзлота», впервые произнесённый в 1879 году Петром Кропоткиным, был введён в научный оборот в 1927 году Михаилом Сумгиным.

Многолетнемерзлые породы (ММП) — это cцементированные льдом мёрзлые грунты почвы и горные породы, в течении более двух лет имеющие круглый год температуру ниже 0°С. Первые метры от поверхности земли занимает деятельный слой. Это слой почв и пород, которые  оттаивают в тёплое время года, а в холодное вновь промерзают. Деятельный слой сменяется толщами вечномерзлых пород. Однако, во многих районах ММП прерывисты или встречаются спорадически. Соответственно, область многолетней мерзлоты, составляет приблизительно 14 миллионов км² (15% от открытой поверхности суши в Северном полушарии) [4,5]. Распространение мерзлоты охватывает север Америки, Европы, Азии, острова и шельфы Северного Ледовитого океана. Она также встречается в высокогорных регионах Тибетского плато и Скалистых гор, и на дне Северного Ледовитого океана в виде подводной многолетней мерзлоты. В южном полушарии ММП встречаются реже — в горных регионах, таких как южноамериканские Анды и новозеландские Южные Альпы, а также под Антарктидой [6]. В районе многолетней мерзлоты среднегодовая температура верхней части земной коры долгое время не превышает 0°C, а грунтовые воды находятся в виде льда.

Отметим, что в России площадь многолетней мерзлоты составляет примерно 11 115 000 км², то есть около 65% её территории.

Исследования показали, что при оттаивании высокольдистых отложений и залежей подземных льдов, особенно в тёплый период оптимума голоцена около 4—8 тыс. лет назад, на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах с поверхности образовалась толща талых пород глубиной в несколько десятков метров. Однако, ниже сохранилась реликтовая мерзлота, мощностью от 20 до 500 метров. Эти структуры были впервые описаны в 1957 году профессором Алексеем Земцовым в Западной Сибири [7].

В 1999 году была создана Глобальная сеть мониторинга криолитозоны (GTN-P) в рамках Глобальной системы наблюдения за климатом и Глобальной системы наблюдения за сушей Всемирной метеорологической организации. К началу 2000-х годов в большинстве регионов, где проводились замеры, зафиксировано повышение температуры на 0,5-3°C [8,9]. В мае 2023 года в Салехарде уже открылся первый пункт государственной системы мониторинга многолетней мерзлоты, была составлена геокриологическая карта, а всего в рамках программы планируется развернуть сеть из 140 пунктов к концу 2025 года.

В Северном полушарии южная граница сплошной вечной мерзлоты традиционно определяется среднегодовой изотермой −8 °C, что соответствует температуре грунта от менее −1 °C до −15 °C [10]. Мощность толщ многолетнемерзлых пород изменяется от 300 до 500 м и более, в горах — до 1500 м; температуры — от –2°C до –10°С и ниже [11]. Средняя температура многолетнемерзлых пород, расположенных к северу от намеченной линии, составляет –9 °С, средняя глубина — около 400 м. Рекордная глубина вечной мерзлоты, 1370 м, была зафиксирована в феврале 1982 года в Якутии [12].

Расчет поглощенной энергии для возникновения реликтовой мерзлоты

Объём слоев массивного подземного льда, при средней толщине 400 м [10], составляет:

V_рл = S_рл^. h_срл = 14 000 000 ^. 0,4 = 5,6 млн. [км³] (1)

Масса реликтового льда при средней плотности 916,7 кг/м³:

M_рл = V_рл^.p_рл = 5 600 000 ^. 10^{9 .} 916,7 = 5,134 ^. 10¹⁸ [кг] (2)

Оценка поглощенной энергии для образования реликтовой мерзлоты, при средней её температуре -9^оС, удельной теплоёмкости льда 2800 Дж/(кг·°C) и энергии образования льда —0,34 МДж/кг, получаем:

Q_рл = M_рл^.(l+с^.dt_рл) = -1,87^.10²⁴ [Дж] (3)

Для сравнения: энергия извержения вулкана Тоба (Индонезия) 74 тыс. лет назад оценивается в 3,69^.10²³ [Дж], супервулкана Парана-Этендека (Ю.Атлантика) 132 млн. лет назад — в 1,98^.10²⁴ [Дж].

Полученные данные, вероятно, являются нижней границей оценки глубинного процесса поглощения энергии в момент катастрофического события, так как за время, прошедшее с эпохи последнего ледникового периода, объём многолетней мерзлоты значительно сократился.

В толщах вечной мерзлоты иногда встречаются зоны, которые сложены талыми породами. Эти участки называются «таликами». Они образуются под крупными реками и озерами, в трещинах, где циркулируют подземные воды. Скрытые талики представляют большую опасность для объектов инфраструктуры.

В Якутском институте мерзлотоведения, в шахте на 12-метровой глубине свисают корни растений, которые цвели и пахли тысячи лет назад до образования мерзлоты. Там же представлена смолёвка узкая древолистная, которую учёные прорастили из семечка, пролежавшего в мерзлоте 30 000 лет. Вымершие растения из криолитозоны вернуть в современный мир куда реальнее, чем вымерших животных, поскольку за это время изменились внешние условия среды их обитания.

Останки флоры и фауны в мерзлоте говорят о том, что процесс их замерзания происходил за минуты. Ведь, чтобы мамонт погиб при температуре -100^оС нужно минимум 30 минут, но не более 1,5 часов, за которые пища в желудке мамонта могла бы перевариваться и потерять форму. В частности, в желудке мамонта были найдены остатки непереваренных цветков гладиолуса. Из этого можно сделать вывод, что процесс заморозки на поверхности происходил быстро и катастрофично. Во многих местах туши животных находятся вперемешку со стволами деревьев и почвой, что может свидетельствовать и о гигантской волне типа цунами, впоследствии замерзшей.

По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, в замороженных запасах органики в мерзлоте около 1600 миллиардов тонн углерода — больше, чем во всех тропических лесах и разведанных запасах нефти! При глобальном таянии реликтовой мерзлоты миллионы отдохнувших и голодных бактерий набросятся на гигантское количество размороженной пищи.

Возможные причины появления многолетней мерзлоты

Снос части атмосферы космическим телом или метеоритным потоком

При таком воздействии происходит падение давления и охлаждение остатков воздуха и поверхности. Но если мало воздуха, то существенно уменьшается теплопередача через разреженную атмосферу, а поверхность сможет отдавать тепло лишь ИК-излучением, что происходит при любом давлении. Поскольку теплоемкость грунта и льда, равная 2,23 [Вт/м^.К], на несколько порядков выше теплоемкости разреженного холодного воздуха, почва не передаст атмосфере значительную часть тепла. Учитывая, что атмосферное давление не может быть низким долгое время, и через непродолжительный период произошло бы его выравнивание, эту гипотезу образования мерзлоты можно считать несостоятельной.

Гидратная гипотеза

Газовые гидраты – твердые кристаллические соединения, в которых молекула метана заключена в молекулы воды, образующиеся при давлениях до 10 – 30 МПа, при температуре +20 – 25˚С из водного раствора, льда, водяных паров и низкомолекулярных газов. По внешнему виду напоминают лед или снег. Единичный объём метангидрата содержит до 160 — 180 объёмов чистого газа, а его плотность около 900 кг/м³, что ниже плотности воды и льда.

Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук, и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа. Для них характерна аномально низкая теплопроводность, которая при 0^оС в пять раз ниже, чем у льда.

Запасы метангидратов огромны — на суше 3,4^.10¹⁶ м³ и в океане 3,4^.10¹⁸ м³ [10]. При повышении температуры и уменьшении давления, гидрат разлагается на газ и воду с поглощением большого количества теплоты (53,32 кДж/моль), но, поскольку, метангидраты теряют стабильность при давлении менее 25 бар, процессы их разложения могут идти только в приповерхностной зоне. Они не способны проморозить слои почвы глубже 100 м, где метангидраты уже находятся в стабильном состоянии, поэтому, их роль в образовании ММП не является определяющей, а может носить только поддерживающий характер.

На канале Neo History есть расчет этого процесса:

https://goarctic.ru/news/gazovye-gidraty-v-nevechnoy-merzlote

Как видно, гипотеза образования реликтовой мерзлоты метангидратами тоже несостоятельна, поскольку они разлагаются с поглощением тепла в почве, на глубине менее 100м.

Многолетняя мерзлота образована давлением ледника

Очевидно, что по мере роста ледника, породы, расположенные под его ложем испытывают всё увеличивающееся давление. При сжатии вещества, действующие на него извне силы давления, совершают механическую работу и увеличивают тем самым внутреннюю энергию тела, если не происходит теплообмена с окружающей средой. В конденсированных фазах (жидкостях, твёрдых телах) различают упругую и тепловую составляющие. Первая, называемая «холодным» давлением (p_x), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма тела, а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. Упругая нагрузка на тело вызывает не только обратимые изменения его размеров и формы, но и изменение характеристик внутренней атомно-молекулярной динамики тела. Так, имеет место термоупругий эффект (эффект Джоуля) — изменение температуры адиабатически нагружаемых упругих тел [17,18].

При толщине ледника в 100 м на каждый квадратный метр будет давить почти 91,67 тонн его массы. А на глубине в 100 м под поверхностью земли породы будут сжаты еще на высоту столба гранита — 270 т/м², и будут испытывать суммарное давление 361,6 т/м². Таким образом, если бы ледник растаял мгновенно, разница давлений в 91,67 т/м² могла привести к падению температуры породы.

Несостоятельность этой гипотезы очевидна, так как даже стометровый ледник тает постепенно, оставляя при этом значительное количество талой воды. Соответственно, медленное снятие давления ледника и просачивание талых вод не может привести к образованию на глубине 100 метров и более, многолетней мерзлоты.

Гипотеза образования мерзлоты при растворении солей

Рассмотрим ещё один эндотермический процесс, при котором происходит стремительное снижение температуры — смешивание соленой воды с пресной, или растворение соли в воде. В природе примером такого явления может быть, так называемый, «ледяной палец смерти», при котором более солёная вода стекает в море и, как более плотная, опускается на дно, по пути смешиваясь с более пресной, и этот поток замерзает, так как понижается его температура.

Вероятно, в процессе геотектонической катастрофы (столкновение с крупным космическим телом или при кувырке Земли, аналогично эффекту Джанибекова), во времена глобального вымирания мамонтов и шерстистых носорогов, произошел массовый выход ювенильных вод и водогрязевых потоков из недр. Во многих местах вода проходила через солевые слои. А, как мы уже знаем, при растворении соли происходит падение её температуры. На поверхности вода замерзала почти мгновенно. Вероятно, в момент интенсификации водородной дегазации, в литосферу из недр поднялись потоки флюидов, привнеся с собой гидриды или соли, которые при эндотермическом разложении отобрали тепло из верхних слоев коры, образовав реликтовую мерзлоту. Процесс на поверхности происходил достаточно быстро, так что мамонты замерзли в течении от 0,5 до 2 часов, с остатками непереваренных гладиолусов в желудках. Аналогичные события, в небольших масштабах, наблюдаются и в наши дни:

Гидридная гипотеза ММП

Образование пластов массивного подземного льда могло быть вызвано эндогенным разложением гидридов. Дегидрирование — это процесс, при котором соединения элементов с водородом разлагаются с выделением первородного газа и поглощением тепла из окружающей среды.

«К геохимическим признакам глубинности плюмов относится изотопия гелия. В породах океанических плюмов (например, Гавайского и Исландского) обнаруживается большая доля изотопа ³He, который является продуктом водородного термоядерного синтеза. Отношение ³He/⁴He в этих породах в десятки раз выше, нежели в базальтах срединно-океанических хребтов, генерирующихся из верхней мантии в ходе тепловой конвекции. Очевидно, «избыточное» количество ³He поступает в плюмовый канал из слоя D« или из внешнего ядра».

Академик Добрецов Н.Л. [23]

Согласно модели академика Добрецова Н.Л. [23], термохимические плюмы представляют собой своеобразную «газовую горелку». Снижение температуры плавления на границе ядро – нижняя мантия достигается за счет химической добавки «летучего» компонента. Можно предположить, что главными добавками, понижающими температуру плавления, являются водородные и углеродные соединения, выделяющиеся из металлического ядра (гидриды металлов, карбиды и элементарный водород). При их реакции в мантии с железосодержащими окислами, образующиеся оксиды CO₂ и H₂O формируют восходящий поток водорода и гидридов, а восстановленное до металлического состояния железо стекает в жидкое ядро.

Мерзлота образована давлением плюма, в результате удара астероида

Наша гипотеза предполагает, что причиной возникновения многолетней мерзлоты является Сибирский мантийный плюм, который из-за твёрдых пород в литосфере, не нашел выход на поверхность.

Сибирский плюм, вероятно, образовался в момент Пермской катастрофы и представляет из себя цилиндрическое образование в мантии, простирающееся от слоя D” на границе Внешнего Ядра и Мантии Земли до Литосферы, около 2000 км в диаметре. Структура плюма представлена на рис. 2 и описана в работах академика Добрецова Н.Л. [23]. Объём Сибирского плюма составляет примерно 9,3 ^. 10¹⁵ км³ при температуре в глубине до 1600°C.

Вертикальные силы, направленные снизу вверх, возникают на кровле плюма, не вышедшего на поверхность, вследствие сверхлитостатического давления в расплаве и определяются по формуле [24]:

ΔP = ρ_м^.β^.ΔT^.g^.h_я-л/4 = 2,77^.10⁸ [Па] (4)

где ρм - средняя плотность окружающей плюм пород мантии 4500 [кг/м3];
      β    - коэффициент теплового объемного расширения расплава в канале плюма 2.10–5 [1/°С];
      ΔT  - среднее по высоте канала плюма значение перепада температуры 440 [°С];
      g    - ускорение силы тяжести [м/с2];
     hя-л - высота плюма 2850 [км];

F = π^.ΔP^.R² (5)

где F - сила давления на кровлю плюма, направленная снизу вверх [Н];
      R - радиус канала плюма [км];

Упрощенно, плюм имеет форму кругового цилиндра, если предположить, что объемные содержания в нем различных элементов такие же, как и в среднем по Мантии, то количество Мk каждого рассматриваемого элемента k, содержащегося в объеме Плюма, определяется как:

Мk = π.r2.hя-л.nk.ρk         (6)

Где r   - радиус Плюма 1000 [км];
    hя-л - высота плюма 2850 [км];
       nk - объемная концентрация в Мантии рассматриваемого элемента k (k=1, 2…);
       ρk – плотность элемента k.

Таблица 1. Значения объемных концентраций химических элементов в Плюме, их плотности, соответствующие гидриды и энергии их распадов, согласно [16,23,24].

Объемная концентрация водорода в Плюмах значительно выше, чем в среднем по Мантии, поэтому входящие в состав Плюма элементы образуют соответствующие гидриды, при этом объём вещества уменьшается в среднем на 30% [23, 24].
При разложении 1 моля гидрида некоторого элемента поглощается тепло в количестве, указанном в табл.1. Поэтому, общее количество тепла (Q_окт), которое может поглотиться при разложении всех гидридов, содержащихся в объеме рассматриваемого Плюма, вычисляется по формуле:

Q_окт = Σ(М_k^.Q_κ) (9)

Предположительно, удар астероида диаметром 60 км в противоположную точку нашей планеты в районе Антарктиды, образовал кратер Земли Уилкса (диаметром 500 км), и, благодаря эффекту рикошета, активировал Сибирский плюм. Если принять железно-никелевую природу космического тела (с плотностью 7,72 кг/м³), перемещавшегося со скоростью порядка 70 км/с, то энергия импакта составила бы 2,14^.10²⁴ [Дж].

Резкое увеличение давления на литосферную плиту, возникшее в результате мощных сейсмических волн импакта и последовавшей активизации плюмового процесса, аналогично эффекту рикошета, не привело к образованию вулкана, и лава не нашла выход на поверхность. В таком скоротечном процессе, после увеличения давления, обычно наступает и обратный эффект — «отдача». Известно, что изменение температуры при упругом деформировании твердых тел, в реальном диапазоне задаваемых напряжений до ∼ 1−2 ГПа, является малым [16,17], но в жидкостях и, особенно, в газовых карманах, этот эффект значителен и подчиняется закону Шарля. Поэтому, при прекращении давления на Сибирскую литосферную плиту, резко упала температура на нижней границе плиты в месте соприкосновения с плюмом, что привело к промерзанию пород, включающих газо-водяные фракции, на глубине около 1500 м и выше до поверхности Земли. Цунами на поверхности планеты, возникшие в сейсмической зоне над грибовидной кровлей плюма (более 2 радиусов плюма, растекшегося под литосферной плитой, рис.2), замерзли вместе с переносимыми ими останками флоры и фауны. Дальнейшая дегазация пород плюма, содержащего в обилии гидриды, привела к их эндогенному распаду, что усугубило картину распространения мерзлоты изнутри пород на большую площадь.

Следует учитывать, что на Кольской сверхглубокой скважине температура до 3 км менялась со скоростью 10^оС/км [18], соответственно, на глубине 1370 м температура должна была быть около +14^оС, при среднем тепловом потоке недр 0,03-0,05 Вт/м² или 350 Вт^.ч/м² в год. Поэтому, процессы прогревания пород за счет внутренней энергии Земли, частично растопили самые глубинные слои мерзлоты. Но, поскольку, мы сейчас фиксируем наличие мерзлых пород, по крайней мере, на глубине 1370 м, то это катастрофическое импактное событие произошло относительно недавно, иначе внутреннее тепло земных недр растопило бы глубинную мерзлоту.

Если предположить, что ММП образованы отрицательным давлением плюма на литосферную плиту, то работу, необходимую для этого, можно оценить с помощью закона Бернулли:

А = Р^.S_рл^. h_срл = —1,54 ^. 10²⁴ [Дж] (6)

Остальная энергия E = Q_рл — A = —3,32^. 10²³ [Дж], должна была быть поглощена при распаде гидридов.

Гидридная гипотеза предполагает, что происхождение многолетней мерзлоты произошло за короткое время при промерзании газо-водяных карманов почвы, в результате поглощения тепла при распаде гидридов и при отрицательном давлении верхней кромки Сибирского плюма, вызванном отдачей после эффекта рикошета при падении астероида в районе Антарктиды. Это катастрофическое сейсмическое событие вызвало подъём литосферы под Сибирью и Аляской на десятки метров, с последующим резким движением вниз, что привело к возникновению гигантских волн, накрывших огромную территорию и замерзших вместе со всем, что было на поверхности.

Рмах - максимальное давление плюма на литосферную плиту снизу после импакта;
P       - давление на плиту после снятия внутреннего напряжения от плюма;
dP     - разница этих давлений;
hмср  - средняя глубина ММП;
Hм     - максимальная глубина ММП;
tм      - минимальная температура ММП;
tср    - средняя температура ММП, около -9оС;
dt      - разница температур;

из з-на Шарля: Р/Т = const или Pmax/t = P/tм

Источники:

1. Романовский Н.Н. / Основы криогенеза литосферы. / Изд-во МГУ, 1993, 336с.
2. Данилов И.Д. / Подземные  льды. / М. «Недра» 1990, 144с.
3. Кошурников А.В. / Основы комплексного геокриолого-геофизического анализа для исследования многолетнемерзлых пород и газогидратов на арктическом шельфе России. / Вестник Московского университета. Серия 4. Геология, 2020, № 3, с.116–125.
4. Сайт о мерзлоте
5. https://сферанефтьигаз.рф/gubkin3-2020-5/
6. Добротворский М.А. / Кинетика разложения гидрида алюминия / автореферат кандидатской диссертации, С-ПГУ
7. Анисимов и ко / Континентальная многолетняя мерзлота /
8. https://yandex.ru/video/touch/preview/11681069398262291998
9. https://yandex.ru/video/preview/5941916586998559346
10. https://yandex.ru/video/preview/11536553781154376066
11. В арктической Якутии обнаружены доказательства отсутствия вечной мерзлоты в период, когда температура была на 4,5°C выше современной
12. Многолетняя мерзлота
13. Вечная мерзлота России — изучай сначала. Обзор / Интерфакс
14. Вечная мерзлота: почему только 35 процентов территории России пригодны для жизни
15. Вечная мерзлота / Национальный атлас России / том 2
16. Горелик Я.Б., Колунин В.С. / Удивительная мерзлота / Природа №10, 2001 г.
17. Гиляров В.Л., Слуцкер А.И. / Описание термоупругого эффекта в твердых телах в широкой области температур / Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 12
18. Гиляров В.Л., Слуцкер А.И., Володин В.П., Лайус А.И. / Энергетика термоупругого эффекта в твердых телах / Физика твердого тела, 1998, том 40, № 8
19. Дегтярев К.С. / Тепло Земли / Наука и жизнь № 9, 2013.
20. Гросвальд М.Г. / Оледенение Русского Севера и Северо-Востока в эпоху последнего  великого похолодания / 2009. 152 с.
21. Чувардинский В.Г. / О ледниковой теории. Происхождение образований 
    ледниковой формации / Апатиты, 1998 / Мурмангеолком ОАО, Центрально-
    Кольская экспедиция.  302 c.
22. А.И. Слуцкер, Ю.И. Поликарпов, Д.Д. Каров, И.В. Гофман / Физика твердого тела / 2013, том 55, вып. 3
23. Ершов Э.Д. / Общая геокриология / 2002.
24. Якутск. Часть 2: вечная мерзлота / История первой Якутской шахты в мерзлоте
25. Добрецов Н.Л., Борисенко А.С., Изох А.Э. / Термохимические глубинные мантийные плюмы – источник рудного богатства планеты / «Наука из первых рук», Семь веков российской истории, том 42, №6, 2011.
26. Кирдяшкин А.А., Кирдяшкин А.Г. / Условия формирования поднятия плюмом, не вышедшим на поверхность / Геотектоника, 2022, № 6, стр. 114-124