Лёд и Снег • 2Q12 • № 4 (12Q)
Режим и процессы в озере Восток
УДК 551.322
Закономерности формирования конжеляционного льда над подледниковым озером Восток
© 2012 г. В.Я. Липенков, Е.В. Полякова, А.А. Екайкин
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
lipenkov@aari.ru
Статья принята к печати 25 октября 2012 г.
Антарктида, ледниковый покров, ледяной керн, ортотропный рост, подледниковое озеро, структура льда, упорядоченное строение.
Antarctica, ice core, ice sheet, ice texture, subglacial lake, orthotropic growth, preferred fabric.
Представлены данные петрографических исследований ледяных кернов из скважин 5Г-1 и 5Г-2 на станции Восток, которые детально характеризуют особенности строения 232-метровой толщи конжеляционного льда, наросшего на нижнюю поверхность Антарктического ледникового покрова, перекрывающего оз. Восток. Показано, что основная тенденция в изменении структуры этого льда с глубиной - рост среднего размера кристаллов с уменьшением возраста льда и приближением к поверхности подледникового озера. Наблюдаемые на фоне этого тренда вариации размера и ориентировки кристаллов отражают пространственно-временные изменения интенсивности притока к фронту кристаллизации переохлаждённой воды из северных районов озера, где происходит таяние ледникового льда. Наличие переохлаждённой воды у фронта кристаллизации способствует устойчивому преимущественному росту кристаллов с субгоризонтальной ориентировкой с-осей. В условиях недостатка переохлаждённой воды перевес в росте получают кристаллы с субвертикальной или наклонной к фронту кристаллизации ориентировкой. Таким образом, тип преимущественной кристаллографической ориентировки служит индикатором поступления талой воды в район льдообразования.
Введение
Российская внутриконтинентальная станция Восток, где в течение многих лет ведётся керновое бурение антарктического ледника, расположена над южной глубоководной частью крупнейшего на нашей планете подледникового озера Восток. В 1998 г. скважина 5Г-1 впервые на глубине 3537— 3539 м1 вошла в слои конжеляционного льда, который образовался из воды озера. К основным признакам, указывающим на водное происхождение этого льда, относятся резкое изменение изотопного состава [16] и чрезвычайно низкое (в 10—103 раз меньше, чем во льду атмосферного происхождения) содержание газа в ледяном керне [20]. Это событие ознаменовало начало нового этапа в исследовании оз. Восток, когда основным источником экспериментальных данных о составе воды и гидрологическом режиме уникального подледникового водоёма становится керн конжеляционного (озёрного) льда.
В 1998 г. буровые работы были остановлены на глубине 3623 м. После восьмилетнего перерыва бурение скважины 5Г-1 электромеханическим снарядом было возобновлено и продолжено до глубины 3650 м. В 2007 г. произошла авария, в результате которой бурение скважины 5Г-1, достигшей к тому времени 3667 м, пришлось прекратить. Для обхода оставленного в скважине снаряда специалисты Санкт-Петербургского горного института (сейчас Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» (СПГГИ)), разработали и впервые в мировой практике применили технологию забуривания бокового ствола скважины механическим снарядом с заданной глубины из аварийной скважины. Новый ствол 5Г-2 был забурен в 2009 г. в интервале глубин 3587—3600 м. Дальнейшее бурение скважины 5Г-2 позволило получить параллельный керн озёрного льда, дублирующий керн скважины 5Г-1 в интервале глубин 3600—3666 м (рис. 1, б). 5 февраля 2012 г. скважина 5Г-2 достигла
1Здесь и далее в статье используется «официальная» глубина скважины, которая соответствует суммарной длине поднятого из
скважины керна.
3 Лёд и Снег, № 4, 2012
- 65 -
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая формирование слоёв озёрного льда 1 и 2 в основании ледникового покрова в районе станции Восток. а — карта южной части подледникового озера Восток, на которой показана линия тока льда VFL, проходящая через скважину 5Г; береговая линия озера проведена по данным [21]; б — вертикальный разрез ледникового покрова по линии тока льда VFL с указанием положения скважины 5Г и её боковых стволов 5Г-1 и 5Г-2; при построении разреза использовались: спутниковые данные о высоте дневной поверхности ледника [13]; радиолокационные данные о положении нижней поверхности ледника (данные С.В. Попова, частично опубликованные в [23]); модельные оценки скорости нарастания конжеля-ционного льда на подошву ледникового покрова [23]; данные, полученные по ледяному керну (эта работа); в — разрез толщи озёрного льда, вскрытый скважинами 5Г-1 и 5Г-2, на котором указаны глубины залегания границ между атмосферным и озёрным льдом (3537 м), озёрным льдом 1-го и 2-го типов (3618 м) и поверхности раздела лёд —вода (3769 м); все глубины даны по керну; для каждого горизонта указаны возраст и место образования льда на линии тока VFL по модельным данным [23] Fig. 1. Schematic displaying formation of lake ice 1 and 2 at the bottom of the ice sheet near Vostok Station. a - southern part of Lake Vostok and the Vostok ice flow line (VFL) passing through borehole 5G; the lake shore line is shown after [21]; б - vertical section of the ice sheet along the VFL line with indication of the position of the main hole 5G and its branch holes 5G-1 and 5G-2; the surface elevation is from [13], the bottom of ice sheet is from radio-echo sounding data (S.V. Popov's data partly published in [23]), the thickness of the lake ice 1 and lake 2 strata is assessed using modeled rate of ice accretion [23] with additional information from the ice core study (this work); в - vertical section of Lake Vostok accreted ice as revealed by coring in holes 5G-1 and 5G-2; the depths of interfaces between meteoric and lake ices (3537 m), lake ice 1 and lake ice 2 (3618 m) and between ice and water (3769 m) are indicated; the depths are from the ice core length measurements; the formation sites on the VFL line and the ages of accreted ice at these depths are deduced from modeling [23]
поверхности оз. Восток на глубине 3769,3 м, которая, учитывая наклон скважины, соответствует вертикальной мощности ледника 3758 м.
Толща озёрного льда, вскрытая скважиной, образовалась вдоль линии тока ледника VFL (Vostok ice-Flow Line), которая начинается на ледоразделе В и проходит через станцию Восток (см. рис. 1, а). На расстоянии примерно 55 км от станции ледник достигает озёрной котловины и вступает в контакт с водой. Сразу после пересечения линии налегания на холодной нижней поверхности ледникового покрова начинает нарастать конжеляционный лёд. В керне скважины 5Г-1 граница между ледниковым льдом атмосферного происхождения и конжеляционным льдом, образовавшимся из озёрной воды, фиксируется по газосодержанию льда на глубине примерно 3537 м, а по изотопному составу - на глубине 3539 м. Расчёты, выполненные с помощью математической модели течения ледникового покрова, учитывающей
влияние прошлых изменений климата на скорость движения льда над озером, показали, что перемещение ледника от западного берега озера до станции Восток продолжалось примерно 40 тыс. лет [23]. В соответствии с этим возраст конжеляционного льда в районе скважины уменьшается с ростом глубины его залегания от 40 тыс. лет (на контакте с атмосферным льдом) до нуля (на контакте с озёрной водой).
Вскоре после выхода на озеро линия тока льда VFL пересекает небольшой остров, отделённый от западного берега озера узким проливом. Предполагается [11], что именно в этой части подледникового водоёма, над мелководным проливом, формируется 81-метровый слой озёрного льда 1, содержащий видимые невооружённым глазом минеральные включения донных осадков озера (глубина залегания слоя 3537—3618 м). Над островом нарастание льда прекращается. Примерно в 40 км от станции движущийся ледник выходит на открытую глубоководную часть озера, над которой про-
должается медленное нарастание 151-метровой толщи чистого (без включений) озёрного льда 2 (3618—3769 м). Таким образом, если схема, представленная на рис. 1, верна, то изменение свойств ледяного керна в интервале глубин 3537—3769 м должно отражать пространственную (вдоль линии тока льда) и временную (за последние 40 тыс. лет) изменчивость условий конжеляционного льдообразования при движении ледника над озером. Примерно в 5 км вниз по течению льда от станции Восток линия тока VFL вторично пересекает берег озера. Скважина расположена в середине 10-километровой переходной зоны, отделяющей плавающую часть ледникового покрова, находящуюся в гидростатическом равновесии с озером, от его основной части, лежащей на каменном основании [13]. Возникающие в переходной зоне деформирующие напряжения приводят к образованию над линией налегания характерного вала, который хорошо виден на высокоточном профиле высоты поверхности ледника (см. рис. 1, б).
Для реконструкции состава воды и параметров гидрологического и газового режимов оз. Восток по результатам геохимических и биологических анализов керна необходимо знать особенности конжеляцион-ного льдообразования на подошве ледника, перекрывающего озеро. Попытки интерпретации изотопного состава озёрного льда на основе представлений о тер-мохалинной циркуляции в озере [24] привели к заключению о подобии механизмов образования льда в южной части оз. Восток и под шельфовыми ледниками [25, 26]. В частности, было сделано предположение, что существенную роль здесь играют кристаллы вну-триводного льда, образующиеся при слабом переохлаждении (0,01—0,1 °С) талой воды, которая поднимается вдоль наклонной ледяной кровли озера из районов подледникового таяния на севере в направлении области льдообразования на юге озера (см. схему циркуляции воды на рис. 1, в [2]). Консолидация первоначально рыхлого слоя кристаллов внутриводного льда, скапливающихся у подошвы ледника, происходит в результате медленного (изотопно-равновесного) замерзания вмещающей их воды и сопровождается захватом и последующей кристаллизацией жидких включений — так называемых «водных карманов».
Гипотеза о трёхкомпонентном строении конже-ляционного льда
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.