Материалы Всероссийской научной конференции «Поздне- и постгляциальная история Белого моря: геология, тектоника, седиментационные обстановки, хронология»: сборник статей

Перегрузить
Перегрузить
Перегрузить

5. Реконструкции теплового режима в основаниях позднеплейстоценовых ледниковых щитов (Лаврентийского, Скандинавского) по данным скважинной термометрии

Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Антипин А.Н.1

Выявление механизмов формирования, динамики и распада главных ледниковых покровов плейстоцена (Лаврентийского в Северной Америке и Скандинавского в Европе) дает ключ к пониманию глобальных климатических изменений прошлого и более надежных предсказаний будущих изменений. Особый интерес представляет тепловой режим в основании ледниковых щитов. Такую информацию могут предоставить реконструкции, основанные на анализе данных скважинной термометрии.

Несложно понять, как работает метод реконструкции. Если бы климат Земли не менялся, а вместе с ним сохранялась неизменной и температура земной поверхности, то температуры горных пород равномерно (приблизительно с постоянным геотермическим градиентом) увеличивались бы с глубиной. Колебания температуры земной поверхности вызывают аномалии, которые, постепенно затухая, распространяются вглубь и нарушают стационарное температурное поле Земли. Глубина проникновения аномалии зависит от времени, прошедшего с момента ее появления на поверхности, и коэффициента температуропроводности пород. Таким образом, анализируя современные геотермограммы, записанные в скважинах, можно реконструировать температурную историю земной поверхности. Для реконструкции долговременных колебаний температуры, охватывающих последние несколько десятков тысяч лет, необходимы температурные записи по скважинам глубиной 1,5–2 км, пробуренным в однородных породах без признаков гидрогеологической активности. Таких данных во всем мире немного. Те из них, что попадают на районы распространения позднеплейстоценовых ледниковых щитов, проанализированы в нашем докладе. На рис. 1 приведены пример термограммы, записанной в Онежской параметрической скважине, и реконструкция температуры за последние 40 тыс. лет [Demezhko et al., 2013]. В период максимума последнего оледенения (LGM) 18–25 тыс. л.н. температура земной поверхности здесь опускалась до –15 °C – примерно на 20 °C ниже современной среднегодовой температуры земной поверхности.

Рис. 1. Термограмма, измеренная в Онежской параметрической скважине
(Onega, левый рисунок, сплошная линия), и реконструкции
температурной истории (правый рисунок) [Demezhko et al., 2013]

 

Лаврентийский ледниковый щит являлся частью комплекса ледниковых щитов, покрывавших территорию Канады и север США в висконсине (65–12 тыс. л.н.). Его дегляциация началась ~19 тыс. л.н. и закончилась ~8 тыс. л.н. Нами здесь изучены 15 реконструкций температурных историй земной поверхности [Pickler et al., 2016, Demezhko et al., 2018] (рис. 2). Данные по близкорасположенным скважинам были усреднены, таким образом, итоговая выборка составила 9 температурных историй.

Средняя LGM температура в основании Лаврентийского ледникового щита составила –0,4 °C (стандартное отклонение ±1,4 °C). Отметим, что при высоте ледника 1 км давление в его основании равно ~ 9 Мпа, а температура плавления льда –0,8°С, при высоте 3 км – соответственно 27 Мпа и –2,6 °С. Таким образом, на большей части изученной территории в период LGM в основании ледника присутствовала талая вода, что обеспечивало его значительную горизонтальную динамику. Лишь две северные скважины обнаружили вероятно мерзлое основание.

Рис. 2. Лаврентийский (левый рисунок) и Скандинавский (правый) ледниковые щиты
в период максимума последнего оледенения (LGM, около 20 тыс. л.н.).
Черные кружки – изученные скважины, подписи у скважин –
среднегодовая LGM температура земной поверхности. На правом рисунке пунктиром обозначены пределы распространения согласно минимальной [Siegert et al., 2001],
белым цветом – согласно максимальной [Svendsen et al., 2004] моделей

 

Скандинавский ледниковый щит. Несмотря на более чем столетнюю историю его изучения, мнения о границах распространения ледника, его высоте и хронологии дегляциации до сих пор различаются. Часть исследователей придерживается гипотезы минимального распространения Скандинавского щита [Siegert et al., 2001], другие настаивают на значительно более широком распространении единого ледникового покрова [Svendsen et al., 2004], объединявшего Скандинавский с Баренцево-Карским ледниковым щитом на востоке, доходящего до Британских островов на западе, до северной части Белоруссии и Польши – на юге (рис. 2).

Всего по геотермическим данным здесь было получено 11 оценок LGM температур в основании ледника [Kukkonen et al., 1998, 2011, 2015, Glaznev et al, 2004, Rath and Mottaghy, 2007, Demezhko et al., 2013, Rath et al. – в печати, реконструкция по скважине Ullrigg была выполнена нами по данным, приведенным в Maystrenko et al., 2016]. Скандинавский ледниковый щит демонстрирует значительно более высокую изменчивость температурных режимов, чем Лаврентийский. Оценки, полученные за пределами границы минимального распространения ледникового щита (восточная часть Кольского п-ва, Карелия, Северная Польша), указывают на экстремально низкие LGM температуры земной поверхности: от –10 до –18°C. Такой температурный режим земной поверхности мог реализоваться лишь при отсутствии ледника либо при незначительном времени его существования. LGM температуры в пределах границы минимального распространения, напротив, существенно выше и близки к точке плавления льда (от –4 до +2°C).

Разделение исследуемой территории на «ледниковую» и «внеледниковую» части становится более наглядным, если сопоставить реконструированные LGM температуры с оценками «нормальных» температур земной поверхности для этого периода. «Нормальные», т.е. характеризующие тепловой режим земной поверхности при отсутствии ледникового покрова температуры, можно оценить с помощью модели пространственного распределения амплитуд плейстоцен/голоценового потепления в Северной Евразии [Demezhko et al., 2007]. Достаточно вычесть амплитуды потепления из современной среднегодовой температуры земной поверхности. Согласно этой модели, полученной на основе анализа геотермических данных, амплитуда потепления уменьшалась обратно пропорционально расстоянию от центра, расположенного в Северной Атлантике (рис. 3). Сопоставление реконструированных TLGM и «нормальных» TmLGM температур показало, что температурный режим за пределами ледника совпадает с «нормальным», а оценки, полученные в пределах ледника, образуют компактную группу вблизи фазовой границы лед/вода.

И все же нельзя утверждать, что геотермические оценки однозначно поддерживают гипотезу минимального распространения Скандинавского щита в период LGM. Возможно, тепловой след «внеледниковой» части просто не сохранился из-за незначительного времени пребывания здесь ледника и/или его малой мощности

Рис. 3. Слева – распределение амплитуд плейстоцен/ голоценового потепления ∆T, °C
в Северной Евразии согласно модели [Demezhko et al., 2007]. Справа – сопоставление реконструированных LGM температур земной поверхности TLGM с модельными «нормальными» температурами TmLGM, характеризующими температурный режим при отсутствии ледникового щита. Пунктирная линия соответствует соотношению TLGM = TmLGM

 

Пространственное распределение LGM температур в исследованных районах хорошо воспроизводит современную зональность температур земной поверхности в Гренландии [MacGregor et al., 2016]. Районы с мерзлым основанием сосредоточены здесь лишь вблизи ледоразделов. В периферийных частях ледника присутствуют обширные зоны с талым основанием. Вне ледникового щита в северной части Гренландии среднегодовые температуры земной поверхности значительно ниже нуля: –6 в Pituffik, –8,4°C в Danmarkshavn, –12,1 °C в Bliss Bugt. Таким образом, современный Гренландский ледниковый щит можно считать близким аналогом ледниковых щитов позднего плейстоцена. С другой стороны, учитывая, что геотермические оценки характеризуют тепловой режим за длительный период (например, для LGM с центром ок. 18 тыс. л.н. реконструкции дают среднюю температуру за период 18±6 тыс.л.), наличие обширных талых зон в Гренландии не является признаком неустойчивого состояния ледника.

Исследование проведено при финансовой поддержке РФФИ (грант №16-05-00086).

Литература

  1. Demezhko D.Yu., Ryvkin D.G., Outkin V.I., Duchkov A.D. and Balobaev V.T. Spatial distribution of Pleistocene/Holocene warming amplitudes in Northern Eurasia inferred from geothermal data. Climate of the Past, 3, 559–568, 2007.
  2. Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Tarkhanov G.V. and Esipko O.A., 30,000 years of ground surface temperature and heat flux changes in Karelia reconstructed from borehole temperature data, Bulletin of Geography. Physical Geography Series, vol.6(1). – P. 7–25, 2013.
  3. Demezhko D., Gornostaeva A., Majorowicz J., & Šafanda J., Temperature and heat flux changes at the base of Laurentide ice sheet inferred from geothermal data (evidence from province of Alberta, Canada), International Journal of Earth Sciences, vol. 107(1). – P. 113–121, 2018.
  4. Glaznev V. N., Kukkonen I. T., Raevskii A. B., & Jokinen J., New data on thermal flow in the central part of the Kola Peninsula, Doklady Earth Sciences, vol. 396. – P. 512–514, 2004.
  5. Kukkonen I.T., Gosnold W.D., Šafanda J., Anomalously low heat flow density in eastern Karelia, Baltic Shield: a possible paleoclimate signature, Tectonophysics, vol. 291. – P. 235–249, 1998.
  6. Kukkonen I. T., Rath V., Kivekäs L., Šafanda J., & Čermak V., Geothermal studies of the Outokumpu Deep Drill Hole, Finland: Vertical variation in heat flow and palaeoclimatic implications, Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol. 188(1–2). – P. 9–25, 2011.
  7. Kukkonen I. T., Rath V., Korpisalo A., Paleoclimatic Inversion of Ground Surface Temperature History from Geothermal Data on the Olkiluoto Drill Hole OL-KR56, Working Report no 2015–49, Helsinki, 64 pp., 2015.
  8. MacGregor J. A., Fahnestock M. A., Catania G. A., et al. A synthesis of the basal thermal state of the Greenland Ice Sheet, Journal of Geophysical Research: Earth Surface, vol. 121(7). – P. 1328–1350, 2016.
  9. Maystrenko Y.P., Slagstad T., Elvebakk H.K., Olesen O., Ganerød G.V., & Rønning J.S., New heat flow data from three boreholes near Bergen, Stavanger and Moss, southern Norway, Geothermics, vol. 56. – P. 79–92, 2015.
  10. Pickler C., Beltrami H., Mareschal J.-C., Laurentide Ice Sheet basal temperatures during the last glacial cycle as inferred from borehole data, Climate of the Past, vol. 12 (1). – P. 115–127, 2016.
  11. Rath V., Mottaghy D., Smooth inversion for ground surface temperature histories: estimating the optimum regularization parameter by generalized cross-validation, Geophysical Journal International, vol. 171(3). – P. 1440–1448, 2007.
  12. Rath V., Sundberg J., Näslund J.O., Claesson Liljedahl L. in press. Paleoclimatic inversion of temperature profiles from deep boreholes at Forsmark and Laxemar. SKB TR-18-06, Svensk Kärnbränslehantering AB.
  13. Siegert M.J., Dowdeswell J. A., Hald M., & Svendsen J.I., Modelling the Eurasian Ice Sheet through a full (Weichselian) glacial cycle, Global and Planetary Change, vol.31(1–4). – P. 367–385, 2001.
  14. Svendsen J.I., Alexanderson H., Astakhov V.I., et al. Late Quaternary ice sheet history of northern EurasiaQ //Quaternary Science Reviews, vol. 23(11–13). – P. 1229–1271, 2004.

1 Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Антипин А.Н. – ИГФ УрО РАН, Екатеринбург.