Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Отличие динамики поверхности ледникового покрова Восточной Антарктиды в интервале глубин 0-200 м от динамики нижележащей толщи льда
А.Н. Марков
Санкт-Петербургский государственный горный институт
Статья поступила в редакцию 9 марта 2006 г. Представлена к печати И.А. Зотиковым
На основе анализа данных наблюдений в четырех скважинах на профиле Восток — Восток-1 — Пионерская — Мирный обосновывается необходимость рассматривать динамику верхнего слоя ледникового покрова как локальную структуру, существенно дифференцированную по глубине и коррелирующую по простиранию.
Цель исследования
К основным экспериментально определяемым параметрам при изучении динамики ледникового покрова Антарктиды относятся модуль и направление вектора скорости течения его поверхности. Эти параметры сравнительно доступно и достоверно фиксируются при геодезических измерениях на поверхности без исследований внутри толщи ледника и часто используются при построении динамических моделей всего покрова, а также для установления фактической структуры ледоразделов и ледосборных бассейнов, что необходимо при расчетах баланса массы ледникового покрова Антарктиды [7].
Таким образом, определение степени идентичности параметров течения поверхности и всей нижележащей толщи имеет важное, возможно, основополагающее значение при рассмотрении правомерности той или иной динамической модели ледникового покрова Антарктиды.
Обычно вектор скорости при его экстраполяции в глубину вычисляется в соответствии с теоретическими представлениями, но без учета возможных его фактических флуктуаций по глубине [2, 3]. В некоторых моделях течение льда принимается неизменным по всей глубине разреза, и на основании подобного некорректного, априорного представления делаются попытки проанализировать процессы, происходящие в ледниковом покрове вплоть до глубин 3500 м [12].
Согласно теоретическим представлениям о динамике масс Антарктического ледникового покрова, она меняется с глубиной, что связано с изменением реологических свойств льда [2, 8, 11]. Основное значение при этом имеет экспериментально подтвержденное повышение температуры льда с глубиной [6, 8, 11], определяющее увеличение его пластичности и изменение характеристик потока. Кроме того, влияние на динамические свойства льда могут оказывать и такие факторы, как особенности его пылевого состава и структурного строения, не связанные с температурой [2, 3, 5, 6]. Эти факторы и их влияние на динамику могут быть свя-
заны как с условиями существования льда внутри покрова и их изменением с глубиной — вторичные факторы динамических свойств льда, так и с условиями формирования льда в приповерхностном слое 0—200 м — первичные факторы динамических свойств льда.
При рассмотрении возможных вариаций динамики ледникового покрова с глубиной основное внимание уделяется нижней, ближайшей к коренным породам зоне, в которой, в соответствии с теоретическими представлениями, реологические свойства льда изменяются наиболее сильно [2, 3, 5, 6, 11]. Однако, очевидно, не правомерно не рассматривать в качестве возможной зоны вариации динамики ледникового покрова верхний слой в интервале глубин 0—200 м. Именно в этой зоне происходят наиболее интенсивные в сравнении с нижележащей толщей изменения свойств льда по глубине, вызванные следующими процессами: структурным метаморфизмом в снеге, фирне и льду; изменением (сменой знака градиента) температуры льда с глубиной от ее понижения до возрастания [6, 11]; дифференциацией пылевого состава и ее влиянием на динамические свойства льда, возможно, доминирующим именно на небольших глубинах.
Кроме того, приграничное положение поверхностного слоя, т.е. отсутствие вышележащей массы льда, а, стало быть, и взаимодействия с таковой, присущее пластам внутри ледникового покрова, отличает эту зону от нижележащей толщи (большая степень свободы).
Таким образом, существенные отличия в структуре и условиях существования ледникового покрова в интервале глубин 0—200 м выделяют его из общего разреза. Естественно, что это не может не сказываться и на динамических свойствах льда в указанном интервале глубин в сравнении с нижележащей толщей, обладающей меньшими вариациями свойств и условий.
Подобное предположение не только не имеет явных противоречий с теоретическими представлениями, но и во многом ими определяется.
- 12 -
Первичные фактические данные и методика их обработки
Результаты наблюдений в скважинах. Для анализа правомерности высказанной гипотезы были использованы данные систематических наблюдений за пространственным положением скважин, пробуренных на профиле Мирный — Пионерская — Вос-ток-1 — Восток в период работы 23—31САЭ (1978—1986 гг.). Методика обработки и анализа данных инклинометрии, расчетов погрешности вычислений, позволяющая определить параметры динамики ледникового покрова на разных глубинах, была разработана в ЛГИ в 1986—1989 гг. [4]. Тогда же при детальном анализе пространственного положения скважины 3Г на станции Восток в период работы 25—31 САЭ (1980—1986 гг.) было установлено существенное изменение динамики (направления вектора скорости течения более чем на 70°) слоев льда на глубине 100 м [4].
Для подтверждения этого аналогичные исследования были проведены по данным измерений еще в трех скважинах, пробуренных в период работы 23—27 САЭ (1978—1982 гг.). В результате для анализа были использованы параметры динамики ледникового покрова в 4 отдельных достаточно удаленных друг от друга областях Восточной Антарктиды на профиле Мирный — Восток общей протяженностью 1402 км (табл. 1).
Значительная удаленность скважин, различия сроков и условий измерений в них позволяют говорить о независимости полученных результатов для каждой рассматриваемой области, а выявленные общие для всех четырех районов особенности динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды следует считать отражением объективно существующих в нем процессов.
Вычисление параметров скорости течения слоев льда. Для каждой области были получены функции Щ) изменения с глубиной следующих параметров: К.
^отн.Н-!
отн.уст.'
скорость течения (м/год) горизонта наблюдений относительно точки устья скважины (0 м) и относительно вышележащего горизонта наблюдений при интервале глубины между ними 10 м, Аз Маг К.
Аз Маг Котн.Н-1
отн.уст.
магнитный азимут течения (град.) горизонта наблюдений относительно точки устья скважины (0 м) на поверхности ледникового покрова и относительно вышележащего горизонта наблюдений при интервале глубины между ними 10 м.
Параметры КэтнН^ и Аз Маг КэтнН^ — по сути дифференциальная градиентная характеристика потока на уровне горизонта наблюдений, которая отражает фактически относительное изменение вектора скорости между соседними горизонтами наблюдений. Параметры Котн.уст. и Аз Маг Котн.уст. — интегральная характеристика потока на уровне горизонта наблюдений, которая отражает изменения вектора скорости, происходящие во всем вышележащем слое льда от горизонта наблюдения до поверхности ледника.
Интегральный параметр вычисляют в векторном поле дифференциального, а графические зависимости отображают скалярные значения полученного результирующего вектора. Поэтому все представленные результаты, несмотря на взаимосвязь, являются относительно независимыми взаимодополняющими характеристиками потока. Параметры векторов скорости горизонтов наблюдений вычислены относительно системы координат, начало которой расположено в точке 0 м — устье скважины. Движение системы координат относительно коренных пород не учитывалось, т.е. определены векторы течения горизонтов наблюдений относительно поверхности ледникового покрова без учета его движения относительно Земли.
Погрешность вычисленных параметров вектора скорости течения слоев льда на разных горизонтах, осредненная для исследуемого интервала глубин 0—200 м в соответствии с методикой [4] составила: для Котнуст (относительно поверхности) ±0,08 м/год; КотнН-1 (относительно горизонта, лежащего на 10 м выше) ±0,02 м/год; Аз Маг Котнустья (относительно поверхности) ±17°; Аз Маг КэтнН^ (относительно горизонта, лежащего на 10 м выше) ±5°.
Изменения полезного сигнала для всех параметров практически во всем интервале глубин во всех четырех районах значимо превосходят уровень погрешности, а, следовательно, отражают объективную закономерность изменения параметров. При этом полезный сигнал превосходит шум для Котнн-1 не менее чем в 2—3 раза в более «статичных» (по сравнению с районами станций Пионерская и База «Горная») районах станций Восток и Восток-1; примерно в 10 раз в районе станции Пионерская и в 30 раз в районе Базы «Горной» (Мирный); для параметра Аз Маг Кзтн Н-1 не менее чем в 5—8 раз во всех исследуемых районах. Поскольку именно эти два параметра используются в качестве базисных для векторного вычисления двух других, их погрешность, а также
Таблица 1
Местоположение скважин и периоды наблюдений
Местонахождение и номер скважины
Расстояние между скважинами, км
Период измерений, годы
Станция Восток, скв. 3Г Станция Восток-1, скв. 2В-1 Станция Пионерская, скв. 2-П База «Горная», скв. 1-БГ
762 269 298
73 км от Мирного
1980-1986 1978-1980 1980-1982 1980-1982
13 -
Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Аз.Маг. VoTH.ycT., град.
Восток ¿ИЛ
-80 -40 0 40 80 -20
Of
2П 1-БГ
20 40 180 280 380 140 180 220
-200
VoTH.ycr.. м/год 0,2 0,4
0,4
0,8 0,4
12 3 4
0
-40
-80
-120
-160
£ -200 J
Аз.Маг. Vora.H-1, град.
¿2 -80 -40 0 40 -40 0 40 80 120 -40 0 80 160 240 130 170 210 250
0+.............................
-200
VOTH.H-1. М/год .0 0,08 0,16 0
0,04 0,08
0,2
0,4 0,2 0,4 0,6
Рис. 1. Параметры вектора скорости течения слоев ледникового покрова Восточной Антарктиды в разных районах наблюдений. Обозначения в тексте Fig. 1. Parameters of ice flow vector of layers in East Antarctic ice sheet at different sites
превосходство над «шумами», являются определяющими при оценке корректности вычислений. Результаты расчетов параметров вектора скорости течения льда на отдельных горизонтах представлены на рис. 1.
Анали
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.