Вечная мерзлота, удивительная и загадочная

Все началось с дискуссии на одном из гляциологических форумов. Один из ведущих российских гляциологов случайно обронил необычную фразу: «Paul писал(а):Таких мамонтовых находок полно по всей Арктике. Их датировки противоречат моделям
гляциалистов, которые опираются на иные, геолого-геоморфологические и
палеогляциологические материалы. В горах - то же самое - разногласия палеогляциологов и археологов. Вероятно, правы и те, и другие. Это - глобальная и, видимо, методологическая, проблема(ошибка). При этом - ни наличие остатков мамонтовой фауны, ни наличие геологических следов оледенения в это же время там же не объясняет возникновение и наличие до сих пор в это же время "вечной" мерзлоты. Какова же должна была быть температура воздуха на поверхности в Арктике и Субарктике, если земная кора пром;рзла, по данным бурения, на сотни метров. Сейчас при нынешних температурах
мощность деятельного слоя, максимум, 3-5 метров. -200 градусов было, что ли? Тогда что там делали мамонты и пр.?» Вопрос поставил в тупик – уж если специалист, всю жизнь посвятивший изучению льда, многолетнемерзлых пород и сопутствующих им явлений, сомневается в традиционной теории формирования мерзлоты, то может быть есть какой-то другой механизм ее образования?
Для начала немного о том, что такое многолетняя мерзлота.
Многолетней мерзлотой (или многолетнем;рзлыми горными породами) называют горные породы, пром;рзшие на значительную глубину и не оттаивающие в течение длительного времени – от нескольких десятков лет до многих тысячелетий. Мерзлота формируется на суше (в горах и на равнинах), на шельфе арктических морей (Баренцево, Карское и др.) и под ледниками. Возможность промерзания горных пород под ледниками определяется температурой воздуха и мощностью ледника (в толще льда температура повышается с глубиной на 2–2,5°С на каждые 100 м). В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, е; глубина иногда превышает 1 000 метров. Самая мощная вечная мерзлота в Якутии. На западе республики, в районе реки Мархи, притока Вилюя, она
уходит в земную кору почти на полтора километра.
 Многолетняя мерзлота занимает площадь около 10 млн км2, или более 60% территории России. Южная граница распространения мерзлоты проходит с северо-запада на юго-восток от Кольского п-ова к устью р. Мезень и далее почти по Северному полярному кругу до Урала. В Западной Сибири граница имеет субширотное простирание: вдоль широтного отрезка р. Обь, к истокам р. Таз и далее до р. Енисей к устью р. Подкаменная Тунгуска, где она резко поворачивает на юг. К востоку от Енисея мерзлота распространена почти повсюду.
Верхний слой земной коры, являющийся ареалом распространения многолетней
мерзлоты, называют криолитозоной. Нижней границей криолитозоны служит изотерма 0°С. Температура верхних горизонтов мерзлоты в начале и конце т;плого сезона года переходит через 0°С. В ходе циклических процессов промерзания и оттаивания в е; кровле формируется сезонно-талый слой. Считается, что многолетняя  мерзлота  образовалась  в  ледниковую  эпоху там, где земная поверхность не покрывалась льдом, но среднегодовые температуры были очень низкими. На  рубеже  позднего  плейстоцена  и 
голоцена  в  Северной  Евразии  началась грандиозная  по  масштабам  деградация  позднеплейстоценовой  криолитозоны.  За последние  10-12  тысяч  лет  ее  площадь  уменьшилась  более  чем  в  2  раза.
В настоящее время толщи многолетнемерзлых пород по условиям промерзания
подразделяются на два основных типа: эпикриогенные и синкриогенные. В природной обстановке мерзлые толщи пород обычно представляют различные их комбинации как в плане так и по разрезу, и тогда их называют поликриогенными.
Эпикриогенные мерзлые толщи формируются при промерзании обычно сверху вниз
литифицированных пород как коренных монолитных, так и неоген-четвертичных рыхлого чехла.
Синкриогенные породы формируются при одновременности (в геологическом смысле) процессов осадконакопления и промерзания. Поэтому, мерзлые породы данного типа могут быть только рыхлыми, и их промерзание идет снизу вверх от пород уже замерзших эпигенически.
Таким образом, эпикриогенные мерзлые толщи лежат в основе всего многообразия и огромных площадей многолетнемерзлых пород. Их формирование происходит тогда, когда поток тепла поступающего снизу от внутренних слоев Земли становится меньше отвода тепла от поверхности. При этом происходит замерзание влаги в переохлажденных породах и формируется мерзлый слой. Основным условием нарушения теплового баланса является превышение сезонного промерзания над сезонным протаиванием пород. В результате, постепенно, мерзлый слой увеличивается за счет теплопроводности и теплоемкости пород и льда, входящего в их состав. Формируется слой многолетнемерзлых пород.
Так, несколько упрощенно, выглядит «вечная» мерзлота в учебниках по геокриологии. На самом деле в многолетнемерзлых породах происходят сложные физические и химические процессы, желающие могут познакомиться с ними первоисточниках. [6] Меня же больше будут интересовать условия теплового баланса при формировании многолетней «вечной» мерзлоты. Среднегодовая температура пород по глубине слоя не остается постоянной, а повышается
с глубиной слоя за счет тепла поступающего из недр Земли на величину геотермического градиента. Величина, обратная геотермическому градиенту называется геотермической ступенью. Она показывает, на каком расстоянии по вертикали температура пород изменится на один градус и на континентах в среднем составляет 33 метра на 1гр.С.
Путем несложных расчетов можно увидеть, что для формирования мерзлоты в 1000
метров необходимо в течение длительного промежутка времени иметь температуру на поверхности не выше -30 гр. С, а для образования полутора километровой мерзлоты температура должна быть еще ниже – до -50 гр. С. Могут возразить, что в Антарктике зарегистрированы температуры до -88 гр.С, да и в Якутии морозы за 60 градусов не редкость, но нужно учитывать, что речь идет о необходимых средних многолетних температурах, действующую на поверхность, не защищенную снежным или растительным покровом, сильно утепляющим земную поверхность. В Антарктике низкие температуры в основном на поверхности ледника, тогда как в теле ледника температура повышается и у ложа ледника температура во многих местах близка к нулевой. При этом, ни о какой
тысячеметровой толщи многолетнемерзлых пород под ледником не может быть и речи. В то же время районы распространения мерзлоты по большей части совпадают с расположением Панарктического ледяного щита, но само это вряд ли являлось причиной ее образования, так как температуры у ложа ледника были явно недостаточными для ее образования. А вот давление у основания ледника было весьма значительным, и точка равновесного состояния воды находилась вблизи границы льда и ложа. Нечто подобное мы видим в подледном озере на станции Восток в Антарктике. При снижении нагрузки при таянии ледника точка равновесного состояния неизбежно должна была смещаться в глубину ложа, а значит, температура внутри грунта понижаться, а вместе с этим должна
была увеличиваться и глубина промерзания, но не за счет теплопроводности, а всего лишь за счет необычных свойств воды. Это чем-то напоминает поведение жидкости, переохлажденной при повышенном давлении, которая быстро замерзает при снятии давления. Думаю, только необычными свойствами воды можно объяснить образование "вечной" мерзлоты, без привлечения температур в -200 градусов.
Если взглянуть на карту Панарктического ледяного щита, предложенную М.Г. Гросвальдом [3] и карту распространения вечной мерзлоты на территории СССР,  то можно заметить, что они во многом совпадают.
Отсутствие мерзлоты на месте Скандинавского ледяного щита можно объяснить
отепляющим действием Гольфстрима, разрушившего не только ледник, но и слой
многолетнемерзлых пород на его большей территории. 
Вечномерзлые толщи распространены не только на суше. Они были обнаружены в морях Восточно-Сибирском и Лаптевых. Эти острова являются остатками огромной древней равнины, соединявшей Азию и Северную Америку и разрушенной наступающим морем в последние 10 тыс. лет. На мелководьях шельфов морей Бофорта, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Карского вечная мерзлота залегает на разной глубине и простирается от берега на многие десятки и сотни километров. Мощность шельфовой мерзлоты достигает нескольких сотен метров. Шельфовая мерзлота получила название субаквальной. В этой связи возникает вопрос о механизме формирования мерзлой толщи на дне морей, которую трудно объяснить существующими теориями. Даже если допустить длительный период
морской регрессии, вряд ли это удастся без применения аномально низких температур.   
Попробуем поподробнее рассмотреть возможный механизм формирования
многолетнемерзлых пород (ММП) на месте Панарктического ледника.
По мере роста ледника, его объем и масса увеличиваются. Породы, расположенные под ложем ледника испытывают все увеличивающееся давление. При сжатии вещества, действующие на него извне силы давления, совершают механическую работу и увеличивают тем самым энергию тела — внутреннюю, если не происходит теплообмена с окружающей средой (изоэнтропийный процесс, сопровождающийся нагреванием тела), или свободную, если температура сжимаемого тела не меняется (изотермический процесс). На практике к изотермическим часто относят процессы статического сжатия, при которых температуру тела можно считать постоянной. Если в результате сжатия
температура тела повышается, то в н;м развивается большее давление, чем при
изотермическом сжатии (при одинаковых начальных условиях и одинаковой степени сжатия, т. е. относительной плотности). 
В конденсированных фазах (жидкостях, тв;рдых телах) различают упругую и тепловую составляющие. Первая, называемая "холодным" давлением (px), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объ;ма тела, а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. 
Упругое нагружение реальных тел вызывает не только обратимые изменения размеров и формы тела, но и изменение характеристик внутренней атомно-молекулярной динамики тел. Так, имеет место термоупругий эффект (эффект Джоуля) — изменение температуры адиабатически нагружаемых упругих тел. [2], [5].
Тут нужно добавить определение адиабатического процесса. Определение
адиабатического процесса в Википедии: "Адиабатический, или адиабатный процесс — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством ."
"Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система оста;тся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Некоторые авторы (в частности, Л. Д. Ландау) называли адиабатическими только квазистатические адиабатические процессы" На мой взгляд, покровный ледник полностью попадает под описание адиабатического процесса - макроскопическая квазистатическая система, существующая десятки тысяч лет и по минимуму обменивающаяся энергией с окружающим пространством. Ледник можно
считать равновесной системой, в которой изменение состояния происходит достаточно медленно, следовательно, и процессы, происходящие в нем можно считать адиабатическими. Небольшие изменения температуры на поверхности не успевают повлиять на температуру внутри ледника за счет теплопроводности. Имеющие огромную теплоемкость запасы льда просто не успевают отреагировать на изменения температуры на поверхности. Со временем в леднике термодинамические процессы приходят в равновесие, и на какой-то глубине образуется слой равновесного состояния. При изменении размеров ледника точка равновесного состояния может смещаться по глубине как в ту, так и в другую сторону. За точку отсчета примем нулевую изотерму, вблизи которой происходят фазовые превращения перехода воды в лед и обратно. При эпикриогенных процессах смещение точки равновесия в основном происходит за счет
теплопроводности, когда, при изменении температуры поверхности происходит смещение нулевой изотермы.
Суть предлагаемой идеи о понижении точки равновесного состояния не в
теплопроводности, а в законах термодинамики, когда тела нагреваются при сжатии и охлаждаются при снятии нагрузки. При сжатии ложе ледника нагревается и отдает тепло за счет той же теплопроводности, а так как процесс этот растягивается на десятки тысяч лет основание ледника приходит к какому-то равновесному состоянию. При относительно быстром таянии ледника нагрузка на ложе ледника снимается, и ложе ледника охлаждается за счет адиабатических процессов (то, что когда-то пошло на нагревание при
сжатии, нужно вернуть при расширении). Так как процесс таяния был более скоротечный, чем процесс замерзания, то Земля и атмосфера не успевают вернуть затраченное тепло, образуется слой многолетнемерзлых пород, который рано или поздно растает (или, по крайней мере, не будет иметь такую глубину), если ледники не образуются вновь.
В статье, [1] приводится график поведения мерзлых грунтов при изменении нагрузки. Он неплохо иллюстрирует, как меняется температура в опытных лабораторных образцах, я лишь перенес этот процесс на макроскопический уровень покровного ледника и растянул этот процесс во времени. В результате получилась квазистатическая система, по минимуму обменивающаяся энергией с окружающей средой, с процессами неплохо подходящими под определение адиабатического процесса.
В книге [4]  попалась интересная картинка, которая в какой-то мере поясняет возможный вариант образования многолетнемерзлых пород под ложем покровного ледника. На рисунке показан Гренландский ледяной щит, который в настоящее время находится в состоянии относительного покоя.
 Если теперь уменьшить толщину ледника за счет поверхностного таяния, то, по мере снижения нагрузки на ложе ледника, будет понижаться температура под ложем и точка равновесного состояния смещаться глубже. Ледник как бы уходит под поверхность.
Таким образом, можно сделать вывод, что «вечная» мерзлота образуется только в периоды межледниковий, и механизм ее возникновения несколько иной, чем предлагает классическая теория.
При образовании ледника, на поверхность ложа будет давить вся масса ледника. При толщине ледника в 3 км на каждый квадратный дециметр будет давить почти 30000 килограмм, или 300 кг/см2. На глубине в 100 м под поверхностью земли породы будут сжаты еще на высоту столба грунта умноженного на его плотность. Но, если лед давит с давлением в 300 атмосфер, с такой же силой Земля сопротивляется и давит на столб льда.
Таким образом, породы на глубине в 100 метров будут испытывать давление 300 кг/см2 + (1000 дм х 2,6/100) = 326 кг/см2 при гранитном ложе ледника. Если ледник растает, то давление внутри пород на глубине 100 м под ложем будет равно 26 кг/см2. Таким образом, разница давлений внутри пород на глубине 100 метров после и до таяния ледника будет отличаться почти на порядок. Тут нужно посчитать, как это все согласуется с законами термодинамики, нужна теоретическая проработка, но на первый взгляд, предложенный вариант образования ММП должен работать. При этом нельзя исключать и
классический механизм образования эпикриогенных пород, но он лишь дополняет
предложенную выше гипотезу формирования ММП.
Из изложенного выше можно сделать еще один, далеко идущий вывод – процесс
интенсивного разрушения «вечной» мерзлоты, который связывают с потеплением
климата, это естественный процесс таяния ледников, который начался свыше 10 тысяч лет назад и не завершился до настоящего времени. Участь Скандинавского ледника со временем ждет и остальные регионы нашей планеты, если только какой-то другой процесс не запустит образование нового ледникового периода. [7]
 
Литература.
 
1.  Я.Б. Горелик, В.С. Колунин, Удивительная мерзлота, Природа №10, 2001 г.
2.  В.Л. Гиляров, А.И. Слуцкер, В.П. Володин , А.И. Лайус Энергетика термоупругого эффекта в твердых телах. Физика твердого тела, 1998, том 40, № 8
3.  Гросвальд М.Г. Оледенение Русского Севера и Северо-Востока в эпоху последнего  великого похолодания. 2009. 152 с. 
4.  Чувардинский В.Г.  О ледниковой теории. Происхождение образований
ледниковой формации. - Апатиты, 1998. (;Мурмангеолком;, ОАО ;Центрально-
Кольская экспедиция;).  302 c.
5.  А.И. Слуцкер, Ю.И. Поликарпов, Д.Д. Каров, И.В. Гофман  Физика твердого тела, 2013, том 55, вып. 3
6.  Э.Д. Ершов Общая геокриология, 2002 г
7.  В.Н. Конищев Реакция вечной мерзлоты на потепление климата.