Удивительная мерзлота (стр. 2 из 3)
Посмотрим внимательно на рис. 3, где ромбиками показаны фактические данные измерения температуры мерзлых пород в специально оборудованной термометрической скважине на севере Тюменской области. Эксперимент готовился очень тщательно, что обеспечило точность измерения в 0.01°С, так что сомнения в достоверности данных отпадают. Слой мерзлого грунта, залегающий в интервале глубин h = 140-240 м, перекрывается талым водонасыщенным прослоем толщиной около 50 м. Выше, до самой поверхности массива, лежит еще один слой мерзлой породы, который не показан на рисунке. Нижний слой мерзлоты образовался во время прошлых похолоданий климата, а последующие потепления вызвали оттаивание только верхней части массива. Грунт, оставшийся при этом в мерзлом состоянии, называется реликтовым.
 | Рис. 3. Фактическое распределение температуры мерзлых пород (черные ромбики) по скважине, оборудованной на севере Тюменской обл., и его динамика с момента вытаивания льда в объеме реликтового слоя (по результатам модельных расчетов). 1 - начальное равновесное распределение, 2 - через 100 лет после начала процесса, 3 - через 500 лет, 4 - через 1000 лет. |
Последующее похолодание привело к образованию верхнего слоя мерзлых пород, который, однако, не достиг кровли нижнего слоя мерзлоты. Климатические трансформации продолжались несколько тысячелетий. За столь значительное время температура внутри реликтового слоя должна была установиться в соответствии с условиями термодинамического равновесия в толще. Равновесная кривая (1) на рис. 3 имеет наклон из-за влияния гидростатического давления на точку фазового равновесия воды в мерзлом грунте. Значительное отклонение фактических данных от кривой равновесия представляется совершенно неожиданным. Реликтовый слой оказывается охлажденным ниже равновесной температуры, несмотря на то, что расположен между двумя талыми образованиями, имеющими положительную температуру. В этом можно было бы усмотреть даже нарушение второго начала термодинамики. Какое-либо традиционное объяснение такого распределения температуры практически невозможно. Например, можно предположить какое-либо специфическое распределение концентрации растворенных солей в поровом растворе, которые смещали бы точку равновесия фаз в пласте. Однако авторы наблюдений подчеркивают, что минерализация грунтовой воды чрезвычайно мала и не влияет на кривую равновесия. Не проходят и иные доводы, в частности основанные на колебаниях температуры поверхности массива в силу существования мощного талика над реликтовым слоем.
Ответ на вопрос содержится в диаграммах рис. 2 и анализе образования реликтового слоя. В период потепления, когда верхний слой грунта оттаивал, нижний мерзлый - нагревался. В какой-то момент нагрузка от вышележащей толщи стала превышать равновесное значение для внутригрунтового льда, который при более низких температурах находился в термодинамическом равновесии с окружающей породой. (Повышение нагрузки от верхнего слоя есть результат ослабления сдерживающего влияния мерзлого грунта, силы сцепления частичек которого ослабевают с повышением температуры.) С этого момента лед начал таять, что и привело к охлаждению массива. Плавление льда во всем объеме реликтового слоя протекает очень медленно, и наблюдаемое распределение температуры может сохраняться многие сотни и тысячи лет.
Строгие уравнения, которые переводят наши рассуждения в плоскость количественных расчетов, подтверждают этот вывод. Кривые 2-4 на рис. 3, полученные расчетным путем, показывают, сколь длительным может быть этот процесс. Важно здесь и то, что вытаивающая жидкость движется по незамерзающим коммуникациям мерзлого грунта в талые образования по обе стороны реликтового слоя. Интересно, как чутко реагирует мерзлый массив на изменение внешних условий в соответствии с общим принципом Ле Шателье. Потепление климата вызывает охлаждение массива!
Слоистость - память о прошлом
Рассмотрим еще одно интереснейшее явление, сопутствующее процессу промерзания грунта. На рис. 4 показана колонка грунта после промерзания в лабораторных условиях. Нижнее основание колонки во время опыта находилось в контакте с источником воды. Талый грунт сохранился в нижней части колонки и остался совершенно однородным. Промерзшая же часть сильно изменилась: образовалась четко выраженная слоистость. Слои мерзлого грунта перемежаются линзами чистого льда, толщина которых изменяется с глубиной вполне определенным образом.
| Рис. 4. Криогенная текстура грунта, полученная в лаборатории. |  |
Картина слоистости - текстура мерзлого грунта - оказывается связанной со свойствами грунта и условиями его промерзания. Например, при некоторых условиях для грунта данного типа толщина ледяных линз может превысить высоту начальной талой колонки. Вообще же по текстуре мерзлого грунта можно в принципе восстановить температурные условия его промерзания. Подобную слоистость мы видим и в природных толщах мерзлой породы. Она прослеживается до весьма значительных глубин - 100-150 м. Максимальная же толщина ледяных линз наблюдается в верхних 10-40 м. Ниже их толщина монотонно снижается, а расстояние между линзами увеличивается. Довольно часто в верхних слоях мерзлого грунта обнаруживаются слои льда толщиной от единиц до нескольких десятков метров.
Застывшая картина слоистости в промерзших рыхлых отложениях напрямую связана с климатом прошлых тысячелетий. Познать же закономерности изменения климата означает обрести ключ к разгадке многих тайн, которые волнуют человечество. Каким же образом возникает слоистость? Можно сразу сказать, что рост отдельных линз вполне аналогичен картине, которую мы описали для ледяного тела на поверхности керамического фильтра. Но чем вызвано их возникновение в данном конкретном месте и почему они прекращают свой рост спустя какое-то время? Ответ на эти вопросы требует анализа внутренних напряжений в промерзающем грунте, а точнее в той зоне, где расположена корневая система растущей линзы.
Если при стационарном росте льда на поверхности фильтра протяженность корневой зоны не меняется, то при промерзании грунта ее длина все время увеличивается и внутренние напряжения в отдельных компонентах грунта также меняются. По законам механики, в каждом поперечном сечении зоны корневой системы величина внешней нагрузки всегда должна быть равна сумме напряжений в отдельных компонентах грунта. Иными словами, нагрузка равна сумме внутрипоровых напряжений (обусловленных внутренним давлением во льду и незамерзшей воде) и напряжений в скелете минеральных частиц грунта. Этот баланс подразумевает, что при постоянной общей нагрузке увеличение давления внутри пор сопровождается уменьшением напряжений в скелете.
В некоторый момент в определенном сечении зоны корневой системы поровое давление, монотонно нарастая, достигает значения внешней нагрузки. В скелете грунта начинают возникать растягивающие напряжения. Однако рыхлые отложения не обладают прочностью на разрыв, и минеральные частички начинают расходиться в пространстве, которое немедленно заполняется льдом. Так образуется новая линза льда, перекрывающая все поперечное сечение образца и лишающая питания водой предыдущую линзу. Последняя сразу же прекращает свой рост. Далее процесс повторяется, что и приводит к образованию слоистой текстуры. Количественно ее параметры (размеры ледяных линз и расстояния между ними) определяются математической моделью текстурообразования, учитывающей в уравнениях весь комплекс факторов, оказывающих влияние на этот процесс.
На рис. 5 приведены результаты вычислений основных параметров текстуры для промерзающего в естественных условиях грунта. Левая часть рисунка подтверждает общую закономерность немонотонного распределения толщины ледяных линз с глубиной. Правая - демонстрирует возможность образования мощного слоя льда в верхней части разреза. Однако главное достоинство данной математической модели заключается в том, что она указывает ясные причины и конкретные условия, при которых формируются те или иные картины распределения льда в массиве. Так, уменьшение толщины льдинок, начиная с некоторой глубины, обусловлено весом вышележащей толщи, гасящей процесс выделения льда. Образование же массивного ледяного тела обусловлено достаточно мягкими условиями промерзания и высокой проницаемостью исходной талой породы.
Рис. 5. Расчетные зависимости параметров слоистой криогенной текстуры от глубины при коэффициенте гидропроводности 10–11 (слева) и 10–10 м3·с·кг–1. Кривые (1) показывают немонотонное изменение толщины ледяных линз; при повышенной водопроницаемости грунта (справа) расчет предсказывает образование массивного ледяного тела в верхней части пласта. Кривые (2) отвечают монотонному увеличению с глубиной расстояний между льдинками.
Насколько полезным инструментом исследования может оказаться рассматриваемая модель, показывает следующий пример. Замечено, что расположение ледяных линз по разрезу иногда не вполне регулярно. Они то сближаются, то вновь разбегаются, напоминая неравномерно растянутую гармошку. Это наблюдается и в сравнительно однородных по составу и свойствам отложениях. До недавнего времени такие аномалии не поддавались даже качественному объяснению. В частности, сезонные колебания температуры на поверхности массива хотя и имеют значительную амплитуду, но не проникают в глубь Земли больше чем на 10-15 м. Следовательно, они не могут изменить картину распределения ниже этого уровня. Длиннопериодные же колебания (в пределах десятков лет), обусловленные изменением климата, имеют очень малую амплитуду и также не оказывают существенного влияния на этот процесс.