На суше и на море 1974(14)

ЛЕДНИКОВЫЕ ПОКРОВЫ АНТАРКТИДЫ ПРОБУРЕНЫ

Внимание ученых давно привлекали гигантские ледниковые покровы Гренландии и Антарктиды. Однако еще десять — пятнадцать лет назад наши знания о них были весьма скудными. Было известно, что они представляют собой многокилометровую толщу льда, наиболее массивную в центральных областях и постепенно утончающуюся к периферии. Под действием собственной тяжести лед растекается по радиусам из центральной области к краям ледникового щита. По всей поверхности ледового покрова идет непрерывное накопление осадков, выпадающих в виде снега и изморози. В той или иной степени они компенсируют убыль льда в центральных областях из-за его растекания. Растекающийся к периферии по радиусам лед доходит до отвесно обрывающихся в море краев ледяного континента, откалывается и уносится в море в виде айсбергов. Уменьшается ли, хотя бы в среднем, толщина и масса ледниковых покровов, то есть превышает ли расход льда в виде айсбергов приход его за счет выпадения осадков в различные периоды? Каковы условия движения льда и температурный режим в его толще? Ведь, несмотря на чрезвычайно низкую (до минус 60°) среднюю многолетнюю температуру в верхних слоях льда, она должна быть значительно выше в нижних его слоях. Известно, что температура в верхних слоях земных покровов почти линейно повышается с глубиной (примерно на 4—5° на каждые сто метров). Если температура льда тоже линейно растет, значит, на расстоянии около полутора тысяч метров от поверхности она уже будет равна температуре его плавления. Если это так, то при толщине льда до 4 тыс. м в центральных областях щита нижние его слои могут представлять собой громадную линзу воды под более чем тысячеметровым ледяным покровом. Первое бурение и измерение температуры, проведенное в 20-х годах в Гренландии, дали неожиданные результаты. Оказалось, что температура льда более глубоких слоев даже ниже, чем у поверхности. Что это? Ошибка в наблюдениях? Законсервированная средняя температура прошлых, более холодных лет? Другие, еще не учтенные влияния и эффекты? Например, эффект переноса и захоронения снега, выпавшего в центральных, более высоких и холодных областях, в периферийные, сравнительно низкие и менее холодные? Подобные вопросы горячо обсуждались еще так недавно!

Чтобы однозначно ответить на них, нужно было пробурить хотя бы одну глубокую скважину в ледниковом щите. Мощные ледники, накапливающие лед в течение тысяч и тысяч лет,— это естественные хранители драгоценной информации о прошлом. Они могут дать сведения и о процессах глобального переноса атмосферы, и о климате прошлых эпох, включая данные об осадках, о составе атмосферы, ее запыленности.

Фото. Образец льда извлечен с глубины около 2 тыс. м. Лед образовался из снега, выпавшего почти 100 тыс. лет назад

Во время Международного геофизического года (который начался в 1955 г.) советская и американская антарктические экспедиции решили провести глубокое бурение в Антарктиде и Гренландии. Задача казалась простой. Ведь бурили же и самые твердые породы на тысячи метров вглубь. А тут просто лед! Надо взять обычное буровое оборудование и лишь заменить легко замерзающий глинистый раствор для промывки скважины чем-нибудь морозостойким, например керосином или просто воздухом. В Гренландию, а затем и в Антарктиду были завезены отличные буровые станки, тысячи метров буровых штанг и обсадных труб, тонны керосина. И тут оказалось, что бурить лед обычным вращательным бурением значительно труднее, чем даже твердые породы. Из-за большой текучести лед затягивал скважину и зажимал буровой инструмент. Лишь 360 м удалось пройти советским буровикам и гляциологам в Антарктиде у края ледяного щита вблизи поселка Мирный, где толщина льда была около 600 ж. Только 411 и 308 м прошли американцы в центральных областях Гренландии и Антарктиды вблизи станций Кемп Сенчури и Бэрд, хотя толщина льда там была соответственно более 1000 и 2000 м. Выяснилось, что бурение на глубину более 400 м надо вести, заполнив предварительно скважину незамерзающей жидкостью с плотностью, близкой к плотности льда.

Таким требованиям удовлетворяет, скажем, смесь трихлорэтилена с дизельным топливом.

В скважины были опущены чувствительные датчики и измерена температура. Во всех случаях в верхних слоях толщи льда она оставалась неизменной или даже слегка понижалась, и лишь в нижней части скважины намечался переход к области, где температура, по-видимому, растет по мере приближения к ложу.

Полученные факты уже никого не удивили. К этому времени было теоретически доказано, что температура и должна быть почти неизменной в верхних слоях льда благодаря захоронению холодных слоев вновь выпавшим снегом, то есть из-за движения льда от верхней поверхности к ложу. Такое движение возможно в связи с тем, что нижние слои под действием веса вышележащих растекаются и расстояние между годовыми слоями льда уменьшается. В топких горных ледниках эффект такого движения, «выхолаживающего» верхние слои, мал, однако он чрезвычайно важен, когда толщина льда достигает тысячи и более метров.

Расчеты показали также, что, несмотря на эффект «выхолаживания», у нижней поверхности толстых слоев льда в центральных областях Антарктиды температура может быть весьма высокой, равной температуре таяния льда. При этом у нижней поверхности ледяного щита идет, по-видимому, непрерывное таяние льда. Образующаяся вода выдавливается в виде более или менее тонкой пленки или ручьев к периферии и стекает в море.

В результате бурения были получены образцы льда (керны) с разных глубин. Исследование их структуры и плотности показало, что в верхних слоях имеются различия между зимним и летним снегом, а следовательно, возможно выделить годовые слои, определить количество накопившегося за год снега. Однако такое различие можно проследить лишь до глубин не более 100 м. Для анализа кернов с больших глубин старые, классические методы, основанные на исследовании лишь структуры и плотности, оказались недостаточными. Стало ясно также, что для четкого суждения о процессах, происходящих в ледниковом покрове, необходимо бурить лед до его ложа.

Фото. Изменение температуры по толщине ледяных щитов в Гренландии (кривая 1) и в Антарктиде (кривая 2)

Было предложено использовать возникшую еще в прошлом веке простую идею термического бурения, то есть протаивания льда нагретой головкой, опускающейся в лед под действием собственного веса. Интересно, что этот метод применили одновременно независимо друг от друга многие экспедиции. Уже в 1958 г. на станциях Восток, Лазарев, Мирный работали простые самодельные нагреватели, которыми успешно бурили ледниковый покров. Талая вода уходила в поры снежной или фирновой толщи, и скважина оказывалась сухой, а стенки ее сцементированными. Но, как правило, такой бур достигал глубины лишь 50 м. По-видимому, ниже вода оставалась в скважине, и нагреватель работал, как кипятильник, образуя вокруг большую каверну, но не продвигаясь вниз. Надо было оснастить термобур системой откачки воды. Над нагревателем установили контейнер. Но бур пришлось поднимать наверх каждый paз, как контейнер наполнялся водой, обычно после проходки нескольких метров. Нагревательная головка бура имела форму кольца, чтобы в середине, по оси бура, оставался нетронутый столб льда — керн. Этот драгоценный керн также поднимался на поверхность при извлечении из скважины воды.

Этот способ бурения не требовал буровых штанг, так как головка бура соединялась с поверхностью лишь тонким гибким кабелем, по которому подводилась необходимая для нагрева электроэнергия. Впоследствии более удобным оказался бур не с тепловой головкой, а с насадкой для механического разрушения льда с помощью электроэнергии.

Буры такой конструкции представляли собой внушительные сооружения. Ведь надо было быстро сматывать и разматывать тысячи метров армированного электрокабеля, осторожно поднимать и опускать буровой снаряд, извлекать воду и керн. В установку входила маленькая электростанция, буровая вышка высотой более 20 м, различные автоматические системы. Для отработки технологии такого бурения одна из лабораторий США затратила более десяти лет. В 1966 г. усилиями этой лаборатории был пройден на всю глубину ледяной покров Гренландии в районе станции Кемп Сенчури. Толщина льда в центре ледяного щита составляла 1375 м.

На графике (стр. 370) показано изменение температуры в этой скважине. У ложа она оказалась равной минус 13°, что значительно ниже температуры таяния льда при данном давлении (около минус 1°).

Успешное завершение буровых работ в Гренландии позволило перейти к более глубокому бурению и в Антарктиде. В декабре 1968 г. на глубине 2164 м от поверхности бур достиг ложа ледника в центральной части ледяного купола Западной Антарктиды близ станции Бэрд. В тот момент, когда бур достиг коренных пород, в скважину пошла вода. Столб ее поднялся на 50 м. Таким образом, было наконец доказано, что в центральных частях Антарктиды (по крайней мере в некоторых местах) температура у ложа равна температуре таяния. Однако мощных линз воды у ложа, по-видимому, нет. Распределение температуры по толщине льда вблизи станции Бэрд показано на том же графике.

С огромным интересом люди рассматривали лед, полученный с больших глубин. Ведь он образовался из снега, выпавшего тысячи и тысячи лет назад!

Керны, представлявшие собой стержни длиной до 6 м и толщиной всего около 10 см, тщательно просматривали. В верхних слоях до глубины почти в 1000 м во льду были заметны пузырьки воздуха. По мере удаления от поверхности эти пузырьки становились все меньше. Огромное давление сжимало их. Ближе к концу пузырьки исчезли. Воздух, по-видимому, полностью диффундировал в лед. Ведь давление в нем на этих глубинах было близко к 100 атм. Вероятно, из-за этого изменился и характер льда глубинных горизонтов. Керн, взятый на глубине от 400 до 1000— 1200 м, был чрезвычайно трещиноватым и хрупким. Малейшая неосторожность — он разлетался на мелкие кусочки. Казалось, что на больших глубинах керн будет еще более хрупким. Однако исследователи были приятно удивлены. Как только исчезли пузырьки воздуха во льду, керн стал исключительно прочным. Иногда весь стержень длиной до 6 ж извлекался целым, без единой трещины.

Изменялась по мере удаления от поверхности и структура льда. В верхних его частях лед представлял собой беспорядочно расположенные кристаллы, величина которых с глубиной росла. Но вот, начиная с глубины около 1200 м, размер кристаллов резко уменьшился. Появилась четкая ориентация их осей. Теперь главные оси почти всех кристаллов были расположены вертикально. Время от времени прозрачный лед в этой зоне сменялся непрозрачными слоями с чрезвычайно мелкими, раздробленными кристаллами. Такие слои были расположены почти горизонтально. Это следы плоскостей внутреннего сдвига льда в леднике.

Казалось бы, размер кристаллов, обусловленный степенью их дробления при сдвигах льда у ложа ледника, должен уменьшиться. Но и здесь ученых ожидал сюрприз. Оказалось, что лед в близких к ложу слоях состоит из очень крупных кристаллов.

Бур прошел более метра в глубь коренных пород, но керна в нем не оказалось. Почему? Может быть, верхняя часть материкового покрова сложена из рыхлых пород? Пока на это нет ответа.

Однако наиболее неожиданное подстерегало исследователей не у ложа, а на горизонтах от 1300 до 1700 ж. Здесь были обнаружены многочисленные слои пыли! Толщина этих слоев достигала 0,5 мм. Они были великолепно видны даже невооруженным глазом. Откуда взялась пыль на такой глубине? Сейчас считается, что это следы вулканической деятельности в Антарктиде более 20 тыс. лет назад.

Фото. Вариации содержания изотопа кислорода О₁₈, обусловленные сезонными изменениями по данным обработки керна из скважины в Гренландии. Керн извлечен с глубины от 778 до 779 м 20 см от поверхности. По горизонтали отложено отклонение О₁₈/О₁₆ от его стандартной величины для морской воды в миллионных долях (б)

Применение современных методов исследования полученных кернов привело к новым находкам. Очень интересные данные получены при измерении соотношения стабильных изотопов кислорода О₁₈/О₁₆ ). Дело в том, что снег, выпавший при сравнительно высокой температуре, содержит больше кислорода О₁₈, чем при более низкой. Это и позволило выделить годовые слои на больших глубинах, где никаких видимых различий между зимними и летними слоями нет, а расстояние между ними очень мало. На стр. 372 для примера показана кривая изменения содержания кислорода О₁₈ в метровом керне, взятом на глубине 779 м близ станции Кемп Сенчури. Видны четкие максимумы и минимумы содержания изотопа, соответствующие зиме и лету.

Интересные результаты получены при определении содержания таких инородных для льда элементов, как натрий, калий, магний, кальций, хлор. Выяснилось, что зимний снег содержит их больше, чем летний. Слои льда,соответствующие последнему ледниковому периоду (10—30 тыс. лет назад), содержат в три — пять раз больше этих элементов, чем более поздний лед. Если предположить, что количество инородных элементов во льду характеризует интенсивность проникновения циклонов на ледяной купол, полученные данные соответствуют циклонической деятельности прошлых эпох.

Остро встал вопрос об определении возраста глубинных слоев льда. Метод подсчета годовых слоев тут неприменим, не дает результата и определение отношения О₁₈/О₁₆ . Попытки использовать радиоуглеродный метод также пока не увенчались успехом. Ведь углерода во льду так мало, он входит лишь в состав воздушных пузырьков. Чтобы получить требуемое количество углерода из этих пузырьков, нужно растопить на данном горизонте несколько тонн льда. Сейчас уже созданы приспособления для вытаи-вания больших объемов льда и получения нужного количества воздуха. Но пока эти приспособления не работают на больших глубинах. Поэтому единственный путь определения возраста льда глубоких горизонтов, который сейчас используется, расчетный. Исходя из определенных допущений о течении льда в леднике исследуется траектория каждой частицы, по которой она пришла с поверхности на данную глубину, и рассчитывается время, нужное частице, чтобы достигнуть этой глубины. Полученное время и есть искомый возраст.

Определение возраста льда и содержания изотопов кислорода на различных глубинах позволило перейти к уникальному описанию древних климатов, отстоящих от нашего времени на десятки тысяч лет.

Сезонные изменения отношения О₁₈/О₁₆ на больших глубинах исчезают из-за обмена между слоями в результате молекулярной диффузии, но более длиннопериодные вариации изменений этого отношения остаются практически не нарушенными такой диффузией и четко отражают изменения климата. На стр. 374 показано изменение отношения О₁₈/О₁₆ в зависимости от возраста льда. Керны получены из скважины у станции Кемп Сенчури. Горизонтальная ось на графике показывает отношения О₁₈/О₁₆ , соответствующие температурам снега в момент его выпадения на поверхность ледяного щита. Таким образом, график отражает изменения температуры поверхности ледяного щита Гренландии за последние сто тысяч лет!

Итак, климат прошлых эпох запечатлен в разрезе льда величайшего ледникового покрова северного полушария. А как же с Антарктидой? Ведь если бы удалось получить там такой же разрез и согласовать его по времени с разрезом в Кемп Сенчури, это позволило бы установить, совпадает ли история климата южного полушария и северного.

К сожалению, на этот вопрос пока невозможно точно ответить. Как ни странно, дело не в тонких и многочисленных анализах керна. Более трех тысяч таких анализов уже завершены. Дело в том, что в районе станции Бэрд, где пробурена скважина, оказалось очень трудно рассчитать возраст глубинных слоев льда. Район бурения в этом смысле был выбран неудачно.

Сейчас близ советской внутри-континентальной антарктической станции Восток, расположенной почти за тысячу километров от ближайшего края ледяного щита, идет проходка новой скважины. Она должна быть пробурена через всю толщу льда — 4 тыс. м. Подготавливается и глубокое бурение через плавающий (шельфовый) ледник Росса.

Изменения климата за последние 10—110 тысяч лет по данным о содержании изотопа кислорода О₁₈ в кернах из скважины в Гренландии (столбик А). То же по данным изучения ископаемой пыльцы в Гренландии (столбик В), данные о следах отступания великого древнего ледникового покрова в США по результатам радиоуглеродного определения возраста отложений в бассейнах Онтарио и Эри (столбик С), кривая изменения температуры поверхности воды по данным изучения концентрации изотопа О₁₈ в кернах, взятых из отложений со дна Карибского моря (столбик D)

При этом одна из первоочередных задач — создание новых методов получения значительных (до нескольких кубометров) количеств воды на глубинных горизонтах. Лишь в этом случае можно будет выделить достаточное количество воздуха для определения возраста льда по наиболее точному радиоуглеродному методу.

Количество воздуха в порах льда зависит от плотности воздуха у поверхности ледника в момент, когда этот лед образовался, а следовательно, от высоты этой поверхности над уровнем моря. Это дает возможность прямым путем определить характер и скорость изменения толщины великих ледниковых покровов в разное время.

Весьма интересны и работы о механизме взаимодействия ледника с ложем. Уже сейчас предложен проект подледной кинокамеры, опускаемой в скважину для фиксации последовательных стадий движения льда по ложу.

На очереди и сравнительный анализ результатов исследования кернов из разных скважин в ледниковых покровах Антарктиды и Гренландии. Почему, например, в кернах из Антарктиды не обнаружены следы вулканической пыли известных нам извержений (например, катастрофического выброса из вулкана Кракатау)? Эта пыль из средних широт должна была быть занесена в Антарктиду.

Исследования, связанные с глубоким бурением великих ледниковых покровов Земли, только лишь начаты, и трудно даже предугадать как чисто научные, так и практические результаты, которые будут получены.

Исследования, проводимые в Антарктиде по согласованным программам учеными СССР, США и многих других стран, имеют и еще один аспект. В труднейших условиях был показан пример совместной плодотворной работы граждан Советского. Союза и Соединенных Штатов Америки. Недаром, по мнению многих специалистов, опыт содружества ученых СССР и США в Антарктиде оказался и еще окажется очень ценным для планирования совместных исследований в космосе и на других планетах.

Игорь Зотиков