Введение к работе
j
мі чини ( Актуальность работы. Новые научные концепции развития ""Земли, основанные на фундаментальной теории тектоники лито-сферных плит, вызвали огромный интерес к энергетике геодинамических процессов. Поэтому в последние два десятилетия изучение различных аспектов геотермических проблем приобрело исключительное значение в исследовании тектоносферы Земли. Широкий научный интерес к геотермическим результатам, несущим прямую информацию о происходящих и происходивших геологических событиях в недрах Земли, проявляется сейчас в большинстве наук о Земле и служит мощным стимулом для развития геотермии.
В геокриологии геотермическим исследованиям традиционно принадлежит ведущая роль, так как глубокое промерзание земной коры является геотеплофизическим процессом. Последние годы характеризовались интенсивным накоплением геотермических данных, полученных в области развития криолитозоны. Возникла насущная необходимость выработки на их основе новых теоретических представлений о закономерностях формирования теплового режима и промерзания верхней части земной коры, а также рассмотрения некоторых аспектов взаимосвязи глубинных и поверхностных процессов развития и эволюции криолитозоны.
Вопросы динамики теплового состояния криолитозоны стали актуальны в последние года в связи с тем, что все возрастающее глобальное и региональное антропогенное воздействие на геосистему в наибольшей степени отражается в температуре высоких арктических широт. Это требует разработки соответствующих методов геотермического контроля и интерпретации геотермических данных, основанных на современных теоретических представлениях.
Цель и задачи работы. Целью работы являлось изучение процессов и создание теоретических основ формирования отрицательной температуры поверхности Земли и теплового поля криолитозоны севера Азии и разработка методов исследования ее эволюции.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
-
Разработать нетрадиционную концепцию теплообмена в системе поверхность Земли-атмосфера, основанную на представлениях б квазиравновесном тепловом состоянии тропосферы и о трехмерности теплопереноса в ней, как главных факторах существования криолитозоны и региональной неоднородности ее развития.
-
Провести анализ формирования температуры верхнего слоя горных пород в зависимости от климатических, ландшафтных, поверхностных и литогенных факторов с учетом многосторонности их взаимосвязей и стремления к саморегуляции общего энергетического состояния слоя.
-
Обобщить и систематизировать все имеющиеся материалы по теплофизическим свойствам горных пород, установить их зависимость от плотности, влагоемкости, минералогического состава, возраста и фазового состояния в них воды.
-
Выявить региональные закономерности глубокого промерзания земной коры в пределах основных литосферных блоков криоли- ' тозоны, характеризующихся разным внутриземным тепловым потоком. Установить связи внутриземного теплового потока со строением, структурой и составом земной коры и верхней мантии и с геоди-намическими и геотектоническими процессами.
-
Разработать метод палеогеокриологических реконструкций, основанный на современных геотермических данных о тепловом состоянии нестационарных мерзлых толщ, и проследить с его помощью эволюцию криолитозоны в верхнем плейстоцене и голоцене.
-
Наметить направления развития криолитозоны в ходе естественного процесса развития геосистемы, а также при региональных и глобальных антропогенных влияниях.
Научная новизна. В работе формулируется и обосновывается новое научное направление в мерзлотоведении - геотермия мерзлой зоны литосферы, изучающее закономерности формирования теплового поля криолитозоны и глубокое промерзание земной коры под влиянием внешних и внутренних источников тепла Земли и изменяющихся климатических условий в пределах разных геолого-тектонических структур.
На основе представлений о квазиравновесном термодинамическом состоянии системы атмосфера-поверхность Земли и трехмерности процессов теплопереноса исследованы процессы формирования температуры поверхности Земли в высоких широтах и показано
огромное влияние циркуляционных атмосферных процессов на глобальное распределение криолитозоны и региональные особенности ее температурного режима.
Анализ современных радиационно-циркуляционных моделей атмосферы позволил дать сравнительную количественную характеристику влияния главных климатических факторов и орографии на температуру поверхности Земли и связать ее с общим энергообменом в системе атмосфера-поверхность Земли.
На новой аналитической основе изучены процессы формирования температуры верхнего слоя горных пороц. С помощью эффективных приближенных методов получены простые решения, связывающие все природные параметры в единый взаимосвязанный ансамбль, учитывающий влияние на температуру горных пород снега, напочвенных покровов и растительности.
Введено и обосновано понятие средней региональной температуры горных пород. Даны методы ее определения для районов с контрастными ландшафтными, геоморфологическими и другими тем-пературоформирующими условиями.
Построена карта средней температуры горных пород криолитозоны севера Азии масштаба 1:10 000 000.
Систематизированы и обобщены все имеющиеся данные по теп-лофизическим свойствам осадочных, метаморфических и магматических пород криолитозоны севера Азии. Установлены зависимости теплофизических свойств осадочных горных пород от плотности, влагоемкости петрографии и возраста.
Впервые исследованы региональные закономерности поля внут-риземного теплового потока криолитозоны Азии. Установлена связь величины теплового потока со структурой и строением земной коры и верхней мантии, с тектонической и геодинамической активностью ее отдельных блоков.
В работе представлена оригинальная карта тепловых потоков Сибирской платформы и Верхояно-Чукотской складчатой области, выполненная в масштабе 1:10 000 000.
Доказано определяющее влияние внутриземного теплового потока и его пространственного перераспределения под влиянием тепловой неоднородности поверхности, рельефа и структурно-ли-тологических комплексов на глубину промерзания земной коры.
Построена карта стационарной криолитозоны севера Азии.
Впервые создана методика количественной реконструкции па-леогеокриологических условий: палеотемпературы, палеомощности и скорости изменения их, основанная на современных геотермических данных области с нестационарной мерзлой толщей. Она позволила определить палеоклиматические условия верхнего плейстоцена и голоцена.
Дан анализ развития антропогенного влияния на температуру поверхности Земли на ближайшее будущее и реакции теплового состояния криолитозоны на меняющуюся природную обстановку.
Практическое значение. Материалы и результаты, составившие основу работы, были получены в процессе выполнения заданий общесоюзной комплексной научно-технической проблемы 0.50.01, в течение последних четырех пятилеток. В 1970-1975 годах выполнялась тема 0.50.227 а "Исследовать связи теплового потока со строением и развитием тектоносфери и геофизическими полями с составлением карт теплового потока и геотемпературного поля в различных тектонических структурах СССР". (Постановление ГКНТ № 400 от 15.10.70). В 1976-1980 годах работы велись по теме 01.03.Hie "Выяснить роль теплового поля Земли в геодинамике в зонах глубокого промерзания земной коры". (Постановление ГКНТ J* 415 от 16.II.76). В 1981-85 годах исследования выполнялись по теме 05.0I.HII "Разработать методы составления геотермической модели, построить геотермическую карту Северной Евразии масштаба 1:5 000 000". (Постановление ГКНТ, Госплана СССР и АН СССР № 516/272/74 от 29.12.81). В 1986-1988 годах работы велись в рамках темы 02.0I.H22 "Разработать геолого-геофизическую модель кондуктивного и конвективного выноса глубинного тепла в зонах региональных и локальных аномалий геотермического поля литосферы". (Постановление ГКНТ и АН СССР J* 573/137 от 10.II.85). Всё материалы по этим работам после обобщения и сдачи головной организации считались внедренными.
Они были использованы при составлении двух вариантов карт теплового потока Сибири (1982, 1985), вошли, как часть, в "Карту теплового потока Северной Евразии" (1986). На их основе были построены геотермические модели земной коры по профилям Урал-Охотское море (1985) и Диксон-Байкал (1987).
Геотермические исследования в глубоких скважинах велись в непосредственном контакте с геологическими экспедициями и гор-
но-добывающими предприятиями. Результаты работ в виде обработанных данных или в виде обобщающих отчетов передавались ИГО "Якутскгеология", "Ленанефтегазгеология", "Енисейнефтегазгео-логия", "Востсибнефтегазгеология", "Дальвостуглеразведка", "Читагеология". Теоретические аспекты работы вошли в учебные пособия по мерзлотоведению (Общая геокриология, 1974).
Данная работа дает основу для характеристики и построения теплового поля месторождений по минимуму фактического материала. Различного рода теплотехнические расчеты нуждаются в нетрадиционных методах и исходных данных о температурных полях и теплофизических свойствах горных массивов, которые можно найти в работе.
Исходные материалы и личное участие автора. В основе работы лежат фактические материалы геотермических исследований, проведенных в разные годы на территории развития криолитозоны как самим автором, так и сотруцниками руководимой им лаборатории геотермии. В последнем случае использовались только первичные данные. Их обработка, интерпретация и анализ проводился автором.
Широко были использованы литературные данные при анализе процессов теплопереноса в системе поверхность Земли-атмосфера, полученные американскими и японскими учеными.
При решении задач на ЭВМ автору принадлежала математическая формулировка задач, обеспечение исходными данными и конечный анализ решений. В работе использованы более 2000 данных по тепловым свойствам горных пород, данные по более чем 1100 скважинам в 500 пунктах измерения температуры горных пород и по 145 пунктам измерения и расчетов внутриземного теплового потока, обработаны данные о физических параметрах снежного покрова около 300 метеорологических станций.
Апробация работы. Основные результаты исследований и теоретические положения работы были представлены на следующих союзных совещаниях: на УД] Всесоюзном межведомственном совещании по геокриологии (Якутск, 1966) на Всесоюзном научном совещании по мерзлотоведению (Москва, 1970); на Всесоюзной конференции по мерзлотным почвам (Якутск, 1972); на Всесоюзной конференции по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1974); на Совещании по организационным и техническим проблемам, связан-
ным с изысканиями .для строительства БАМа (Чита, 1976); на П Всесоюзной конференции по проблемам БАМа (Иркутск, 1977); на Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири (Новосибирск, 1980); на Всесоюзной конференции по проблемам геокриологии Забайкалья (Чита, 1984); на расширенных заседаниях Научного Совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1984; 1986; 1987) и на международных конференциях: на П Международной конференции по мерзлотоведению (Якутск, 1973); на ХХШ Международном географическом конгрессе (Ленинград, 1976); на Ш Международной конференции по мерзлотоведению (Эдмонтон, Канада, 1978); на УП совещании Европейского геофизического общества (Будапешт, 1980); на XI Конгрессе ИНКВА (Москва, 1982); на Международном симпозиуме социалистических стран "Геотермические исследования и использование термальных вод в народном хозяйстве" (Сухуми, 1985); на Международном симпозиуме "Внут-риконтинентальные горные области: геологические и геофизические аспекты" (Иркутск, 1987).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе в центральных издательствах 36 работ. Среди них 3 монографии, написанные в соавторстве и 4 статьи, изданные за границей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем работы 413 страниц, в том числе: текста - 265, иллюстраций - 85, таблиц - 48, список использованной литературы - 458 наименований.
Считаю своим долгом поблагодарить коллег, которые, работая в экстремальных условиях, помогали собирать основной фонд фактических данных и обобщать его - Б.В.Володько, В.Н.Девяткина, М.Н.Келезняка, А.И.Левченко, В.Г.Русакова, Р.И.Гав-рильева, Н.Д.Костюнина, И.Д.Никифорова, Л.И.Шипицыну. Ценные советы и замечания М.К.Гавриловой, Н.М.Давиденко, Г.М.Фельдмана, С.М.Фотиева способствовали улучшению содержания работы. Написанием этой работы автор обязан П.И.Мельникову, который постоянно поддерживал и создавал благоприятные условия .для исследований.
