Введение к работе
Актуальность темы. Планетарные пространно-временные масштабы ледникового покрова Антарктиды, эволюционирующего весь четвертичный и большую часть неогенового периода (около 20 млн. лет) геологической истории, обуславливают необходимость проведения анализа его строения, состава и динамики как одной из оболочек твёрдой Земли.
В тесной взаимосвязи с эволюцией ледникового покрова Антарктиды изменялись климат и водный баланс планеты, во многом определяющие процессы образования осадочных горных пород. Таким образом, эволюцию ледникового покрова Антарктиды следует рассматривать как один из факторов формирования современного геологического облика Земли.
Исследование динамики ледникового покрова Антарктиды является важной задачей, решение которой способствует выявлению особенностей взаимодействия ледникового покрова с подстилающим кристаллическим фундаментом, атмосферой и океаном в прошлом и настоящем, а также дальнесрочному прогнозу изменений параметров ледникового покрова и климата Земли.
Правильное понимание процессов дифференцированного движения ледникового покрова позволит повысить достоверность интерпретации его геофизических исследований, оптимизировать режимы буровых работ во льду, проводящихся по Федеральной целевой программе «Мировой Океан» в рамках подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики», основной целью которой является развитие долгосрочных исследований, обеспечивающих интересы России в Антарктике. Первостепенный ожидаемый конечный результат реализации подпрограммы - оценка перспектив освоения минеральных ресурсов Антарктики, которыми могут являться как скрытые под ледниковым покровом полезные ископаемые, так и сам ледниковый покров, рассматриваемый в качестве уникального, планетарных масштабов месторождения (около 80 % всех запасов) пресной воды.
Обоснование экспериментальных параметров геолого-геофизической трёхмерной геодинамической модели ледникового покрова Антарктиды актуально для решения различных теоретических и практических задач:
прогноза аварийноопасных участков разреза при бурении глубоких скважин в ледниковом покрове Антарктиды;
обоснования технологии и техники отбора проб, находящихся под ледниковым покровом при: поиске и разведке полезных ископаемых; изучении фундаментальных закономерностей геологического строения и моделей геодинамической эволюции земной коры Антарктического региона; изучении природы подледниковых водоёмов, находящихся в Центральной Антарктиде;
определения по многочисленным аналогиям динамики масс, наблюдаемым в ледниковом покрове Антарктиды и геологических оболочках Земли, общих закономерностей геодинамических процессов и построения геодинамических моделей как для земной коры в целом, так и для её отдельных структур (осадочного чехла, метаморфических горных пород, оползней, соляных толщ и т.п.).
Бурение ледникового покрова в последнее десятилетие проводилось многими странами, участвующими в исследовании Антарктиды, однако, экспериментальные представления о его динамике основаны на данных геодезических измерений на поверхности.
Лишь в России, благодаря её мировому лидерству в области глубокого бурения во льду и многолетней инклинометрии системы скважин во внутриконтинентальных районах, силами Санкт-Петербургского государственного горного института, Арктического и Антарктического научно-исследовательского института и Российской (ранее Советской) антарктической экспедиции накоплен уникальный экспериментальный материал, позволяющий определить особенности массопереноса льда внутри ледникового покрова Антарктиды.
Цель работы. Разработка методики комплексной интерпретации результатов инклинометрии изменяющихся во времени осей группы скважин, радиолокационного профилирования, петрографического анализа керна с целью создания геолого-геофизической модели слоистой структуры и динамики ледникового покрова Восточной Антарктиды.
Основные задачи исследования:
анализ существующих теоретических представлений о динамике ледникового покрова Антарктиды;
разработка методики проведения геофизических измерений и интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин для определения параметров геодинамических процессов в ледниковом покрове Антарктиды;
разработка методики исследования связи параметров петрофизических свойств, вещественного состава с параметрами динамики масс льда в ледниковом покрове Антарктиды;
исследование связи параметров динамики масс льда и морфологии ледникового покрова Восточной Антарктиды;
определение типа и параметров модели динамики ледникового покрова на основе экспериментальных данных геофизических исследований (инклинометрии, радиолокации) и петрографического анализа керна.
Научная новизна. По геофизическим данным выявлена структура слоистого распределения параметров динамики внутри ледникового покрова Антарктиды, а также их связь с петрографическими и электромагнитными характеристиками льда, что позволяет по-новому интерпретировать поверхности отражения радиолокационного сигнала как поверхности смещения масс льда.
Основные защищаемые положения:
Разработанная методика интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин позволяет определить параметры динамики ледникового покрова Антарктиды, выявить их слоистую структуру распределения и корреляцию между районами наблюдения, а также связь с петрофизическими, петрографическими характеристиками льда.
Выявленная согласованность границ слоев, а также связь параметров динамики, электромагнитных, петроструктурных характеристик, вещественного состава позволяет идентифицировать поверхности отражения радиолокационного сигнала в ледниковом покрове Антарктиды как поверхности смещения масс льда.
Основанная на экспериментальных геофизических данных геолого-геофизическая трёхмерная модель ледникового покрова Антарктиды характеризуется параметрами слоистой структуры течения масс льда, взаимосвязанными с его петрофизическими, петрографическими характеристиками, морфологией коренного ложа и поверхности, а также эволюцией ледникового покрова.
Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлено путём анализа и обобщения данных теоретических и экспериментальных исследований по динамике и характеристикам ледникового покрова на антарктических станциях Восток, Восток-1, Пионерская, Мирный, проведённых автором лично, а также опубликованных в отечественной и зарубежной литературе. Основные результаты получены на основании интерпретации данных геофизического мониторинга изменяющихся во времени осей системы скважин по разработанной автором методике, позволившей определить параметры динамики ледникового покрова Антарктиды, их корреляцию между различными районами и связь с вещественным составом, петрофизическими, петроструктурными свойствами льда, а также с особенностями морфологии коренного ложа и поверхности ледникового покрова. На основании геолого-геофизических данных и с учётом пространственного расположения системы исследованных скважин разработана трёхмерная геодинамическая модель ледникового покрова Антарктиды.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций, обоснованных в диссертации, обеспечивается
корректностью использования методик геофизических измерений в
скважинах, большим фактическим материалом, полученным
автором лично и совместно с коллегами в ходе экспедиций в
Антарктиду. При решении задач выявления связи параметров
динамики масс льда между различными районами, а также между
ними и вещественным составом и петрофизическими свойствами
льда корректно применён способ количественных оценок
корреляции, вариации и структуры распределения исследуемых
параметров. Объективность результатов исследования
подтверждается экспериментальными данными различных по времени, условиям и методологии геофизических, петрографических и петрофизических исследований, проведённых в независимых условиях в расположенных на значительном удалении друг от друга районах Восточной Антарктиды.
Практическая значимость исследований: разработана методика интерпретации инклинометрии изменяющихся во времени осей системы скважин; определены параметры динамики масс внутри ледникового покрова Антарктиды; обоснована геолого-
геофизическая трёхмерная геодинамическая модель ледникового покрова Антарктиды; определены глубины слоев, являющихся потенциально аварийноопасными при бурении глубоких скважин во внутриконтинентальных районах Восточной Антарктиды.
С учётом аналогий результаты исследований могут быть также применены для построения геодинамических моделей земной коры в целом и её отдельных структур (осадочного чехла, метаморфических горных пород, соляных толщ), а также для комплексного геофизического мониторинга оползнеопасных районов.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных работ нашли применение в рамках комплексных исследований, проводимых при бурении скважин и исследованиях ледникового покрова Восточной Антарктиды в Советских и Российских антарктических экспедициях на внутриконтинентальной антарктической станции Восток.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, разработке методов и методики их решения, сбору и обработке фактических данных, организации и выполнении теоретических и экспериментальных исследований в полевых условиях на станции Восток в Антарктиде (в 2-х круглогодичных и 3-х сезонных экспедициях за период с 1989 по 2009 гг.).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации доложены на: межкафедральном семинаре в СПГТИ (22 июня 2005 г.); семинаре в Институте географии РАН (03 марта 2006 г.); научной конференции «Россия в Антарктике» (Санкт-Петербург, ААНИИ, 12-14 апреля 2006 г.); научном российско-французском семинаре «ВОСТОК 2007. Результаты и перспективы исследований ледяных кернов, палеоклимата и подледниковых озёр Антарктиды» (Санкт-Петербург, ААНИИ, 2-5 июля, 2007 г.); XIV Гляциологическом симпозиуме (Иркутск, 3-9 сентября, 2008 г.); семинаре в Институте геологии РАН (17 ноября 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе в Докладах межведомственной комиссии АН СССР по изучению Антарктиды (1989 г.),в Докладах Академии наук (2006 г.).
Благодарности. Исследовательская работа начата в 1986 г. в Отделе антарктических исследований (ОАИ) Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова (ЛГИ), возглавляемом проф. А.М.Шкурко. Общее научное руководство осуществлял проректор по научной работе ЛГИ проф. Б.Б.Кудряшов. Участие в работе принимали профессор кафедры геофизических методов поисков и разведки МПИ ЛГИ О.Ф.Путиков и старший научный сотрудник ОАИ ПНИЛ ГТФ ЛГИ К.В.Блинов, которым автор выражает свою искреннюю признательность.
Экспериментальные материалы для исследования были собраны благодаря многолетней работе по бурению скважин в Антарктиде, начатой ещё в 1960 г. член-корреспондентом РАН И.А.Зотиковым и продолженной в 1970-е годы в ААНИИ под руководством В.А.Морева, при участии Л.М.Саватюгина, а в СПГГИ начатой под руководством проф. Б.Б.Кудряшова и продолжаемой в настоящее время под руководством проф. Н.И.Васильева при участии в различное время буровиков Н.Е.Бобина, А.М.Шкурко, В.М.Пашкевича, Г.Н.Соловьёва, Б.С.Моисеева, Э.А.Загривного, Л.К.Горшкова, В.КЛистякова, В.М.Шашкина, П.Г.Талалая, геофизиков Р.Н.Вострецова, Д.НДмитриева, В.Г.Терентьева, А.С.Антипова, В.В.Сычёва, Н.Н.Уварова, К.В.Блинова, математика А.Н.Саламатина, которым автор выражает глубокую благодарность.
Автор выражает глубокую признательность Ю.М.Емелину, Т.П.Королёвой, В.Ю.Менькову, Е.М.Морозовой за оказание технической поддержки в период 2000-2009 г.г.
Искренняя благодарность сотруднику отдела географии полярных стран ААНИИ, гляциологу к.г.н. В.Я.Липенкову и сотруднику ПМГРЭ, геофизику к.г.н. С.В.Попову.
Завершающая стадия исследований осуществлена при непосредственном участии научного руководителя доктора геолого-минералогических наук проф. О.Ф.Путикова, зав.кафедрой ГФХМР СПІТИ доктора геолого-минералогических наук проф. А.С.Егорова, при всесторонней поддержке и содействии зав.кафедрой ТТБС СПГГИ доктора технических наук проф. Н.И.Васильева, зам. директора ААНИИ начальника Российской антарктической экспедиции В.В.Лукина, член-корреспондента РАН И.А.Зотикова,
директора Института географии РАН академика РАН В.М.Котлякова, которым автор выражает особую признательность, уважение и благодарность за бесценную помощь и поддержку.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 166 страницах машинописного текста, содержит 48 иллюстраций, 5 таблиц, библиографический список из 54 наименования, включая 20 зарубежных.
