Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат геолого-минералогических наук Абраменко, Олег Николаевич

• Абраменко, Олег Николаевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Абраменко, Олег Николаевич

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Современная среда полярных регионов Марса и методы ее исследования.

1.1. Полярные шапки Марса.

1.2. Рельеф полярных регионов.

1.3. Характеристика полярных регионов.

1.4. Строение и стратиграфия полярных отложений.

1.5. Состав полярных отложений.2В

1.6. Формирование полярных отложений.

1.7. Годовая и сезонная динамика мощности полярных шапок Марса.

1.8. Современные методы дистанционных и контактных исследований полярных регионов Марса.

1.8.1. Изучение поверхности Марса в видимой и инфракрасной части спектра излучения.

1.8.2. Оценка температурного режима поверхности, альбедо, концентрации влаги, свойств пород приповерхностного слоя.

1.8.3. Оценка льдистости верхних горизонтов Марса.

1.8.4. Определение абсолютных отметок форм марсианской поверхности (глобальная топографическая карта).

1.8.5. Зондирование ионосферы и глубинных слоев марсианской поверхности.

Глава 2. Геокриологические условия Антарктиды и методы их исследования.

2.1. Геокриологические условия Антарктиды.

2.1.1. Физико-географический очерк восточного побережья Антарктиды.

2.1.2. Ледниковый покров восточного побережья Антарктиды.

2.1.3. Динамика изменения мощности ледников Антарктиды.

2.1.4. Мерзлые горные породы.

2.2. Характеристика района исследования (оазис Ширмахера).

2.2.1. Сезонное протаивание и промерзание пород.

2.2.2. Криогенное строение и подземные льды многолетнемерзлых пород.

2.2.3. Рельеф.

2.3. Методы исследования геокриологических характеристик пород, параметров радиационно-теплового баланса и температурного режима в районе исследования (оазис Ширмахера).

2.3.1. Оценка составляющих радиационно-теплового баланса поверхности.

2.3.2. Изучение теплопроводности пород зондовым методом.

2.3.3. Определение глубины сезонного оттаивания и температурного режима пород.

2.3.4. Методика изучения полигонов морозобойного растрескивания.

Глава 3. Климатические особенности и специфика радиационно-теплового баланса поверхности в полярных областях Марса и Антарктиды.

3.1. Структура радиационно-теплового баланса поверхности Земли.

3.2. Широтная и временная изменчивость параметров радиационного баланса поверхности для ряда полярных станций Антарктиды.

3.2.1. Станция Новолазаревская.

3.2.2. Станция Молодежная.

3.2.3. Станция Беллинсгаузен.

3.2.4. Станции Мирный.

3.2.5. Станция Восток.

3.3.и Температурный режим в районах исследуемых полярных станций Антарктиды.

3.3.1. Станция Новолазаревская.

3.3.2. Станция Молодежная.

3.3.3. Станция Беллинсгаузен.

3.3.4. Станция Мирный.

3.3.5. Станция Восток.

3.4. Климатические условия полярных областей Марса.

3.4.1. Структура Марсианской Климатической Базы Данных Европейского Космического Агентства.

3.4.2. Сезонные, суточные колебания температуры нижних слоев атмосферы и амплитуды её колебаний.

3.4.3. Сезонные, суточные колебания давления и ветровой режим.

3.4.4. Широтные и сезонные изменения содержания СО2 в приповерхностном слое атмосферы полярных регионов Марса.

3.5. Радиационно-тепловой баланс и температура поверхности в полярных областях Марса.

3.5.1. Широтные и сезонные изменения составляющих радиационного баланса поверхности Марса.

3.5.2. Среднегодовые, сезонные и суточные температуры поверхности и амплитуды её колебаний.

3.5.3. Радиационно-тепловой баланс поверхности полярных регионов Марса.

3.6. Сравнительный анализ составляющих радиационно-теплового баланса поверхности Антарктиды и полярных районов Марса.

Глава 4. Мощность криолитосферы Марса.

4.1. Мерзлые породы верхних горизонтов Марса.

4.1.1. Проявления, свидетельствующие о наличии мерзлых пород в верхних горизонтах Марса.

4.1.2. Льдистость пород по данным нейтронной спектроскопии.

4.2. Мощность мерзлых пород и криолитосферы Марса.

4.2.1. Исходные представления и предпосылки.

4.2.2. Расчетная модель криолитосферы Марса в меридиональном направлении.

Глава 5. Экзогенные криогенные процессы в полярных регионах Марса и их проявления.

5.1. Проявления экзогенных криогенных процессов в полярных регионах

Марса.

5.1.1. Собственно криогенные (мерзлотно-геологические) процессы.

5.1.2. Группа флювиальных, абразивных и воднобалансовых процессов.

5.1.3. Гравитационные процессы.

5.1.4. Процессы эолового происхождения.

5.2. Проявления и механизм образования полигональных форм рельефа в высоких широтах и периферийных районах полярных областей Марса.

5.2.1. Механизм образования полигональных форм рельефа в высоких широтах Земли.

5.2.2. Проявления полигональных форм рельефа в высоких широтах Марса. Их классификация и механизм образования.

5.2.3. Специфика изучаемого процесса в районе ударных кратеров.

5.2.4. Механизм развития и эволюции формы морозобойной трещины в высоких широтах Марса.

5.2.5. Количественная оценка предлагаемого механизма эволюции трещины.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сравнительный анализ мерзлотных условий антарктиды и полярных областей Марса»

Актуальность проблемы. Геокриология является частью более общей науки криологии планет, которая в свою очередь является составляющей сравнительной планетологии. Мерзлые, морозные или переохлажденные породы, как естественно-исторические образования, не являются чем-то исключительным, присущим только Земле. Они широко развиты в пределах других планет Солнечной системы и их спутников. Поэтому разработка этой проблемы представляет как самостоятельный интерес, так и даст новые импульсы для понимания и, возможно, переосмысления ряда представлений о процессах, протекающих в криолитозоне Земли. Как сформулировал один из основоположников сравнительной планетологии К.П. Флоренский: «. в настоящее время Земля является единственным эталоном при изучении планет, на который мы вынуждены опираться и с которым сравниваем другие планеты, учитывая их специфичность», то есть одним из основных методов исследования является метод аналогий. Методы сравнительной планетологии отражают расширенное понимание принципа актуализма -подхода, при котором к объяснению прошлого идут от изучения современных процессов, но с учетом, конечно, нензбежных оговорок (Геологический словарь, 1978). Изучение планет открывает новые страницы в понимании Земли, которые мы не можем изучать на нашей планете в настоящий момент, но которые могли иметь место в прошлом.

Среди планет земной группы особое место в этом плане занимает Марс - планетное тело с ощутимой атмосферой, мощной криосферой и постоянным присутствием льда в полярных шапках. На Земле наиболее близким аналогом полярных областей Марса, в первую очередь северной полярной шапки, состоящей преимущественно изо льда Н2О, является Антарктида, сопоставимая по площади и мощности ледяного щита. Она характеризуется наиболее суровым климатом (на станции «Восток» зарегистрирован абсолютный минимум температуры -89,2 °С) и минимальным влиянием антропогенного фактора на ее природные условия.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы является проведение сравнительного анализа мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса, для выявления границ применимости метода аналогий, оценки мощности криолитосферы Марса в его полярных регионах и проявлений там экзогенных криогенных процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Обобщить и проанализировать последние данные по мерзлотным условиям полярных областей Марса и геокриологическим условиям Антарктиды;

2. Провести натурные исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизических свойств пород, глубины их сезонного оттаивания 5 и температурного режима, для чего обустроить исследовательскую площадку в районе оазиса Ширмахера (станция «Новолазаревская», Антарктида);

3. С использованием информации, обработанной при помощи статистических методов, провести сравнительный анализ широтно-временной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для районов полярных шапок Марса и расположения пяти российских полярных станций в Антарктиде («Новолазаревская», «Молодежная», «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток»);

4. С учетом полученных оценок о температурном режиме поверхности, мощности и топографии полярных шапок, скорректировать известные представления о мощности криолитосферы Марса.

5. Выявить особенности проявлений экзогенных криогенных процессов в полярных областях Марса;

6. Разработать гипотезу о механизме развития и эволюции формы морозобойной трещины в высоких широтах Марса.

Фактический материал представлял собой: космоснимки высокого разрешения «Марсианской Орбитальной Камеры» с орбитального комплекса «Mars Global Surveyor» и аппарата «Марс-3»; исследовательской аппаратуры, установленной на космических аппаратах миссии «Mars Odyssey» (нейтронный и гамма- спектрометр «HEND», лазерный дальномер «MOLA», теплоэмиссионный спектрометр «TES» и др.); данные о составе и характеристиках грунтов, полученные в ходе посадочных миссий « Viking» 1 и 2, «Mars Pathfinder» (альфа-протоновый рентген-спектрометр APXS), «Spirit» (спектрометр «Mössbauer»), «Opportunity» и «Phoenix»; фондовые материалы по составляющим радиационного баланса, температурным и другим условиям по антарктическим станциям «Новолазаревская», «Молодежная», «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток»; данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности, теплофизическим свойствам пород, температурному режиму района исследований, полученные автором за период сезонных работ 2007-2008 гг. на станции «Новолазаревская».

Для анализа климатических данных атмосферы и поверхности Марса использовалась База данных Европейского агентства (the Mars Climate Database of the European Space Agency, Laboratoire de Météorologie Dynamique du C.N.R.S., the UK Particle Physics and Astronomy Research Council).

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Обобщены последние данные по климатическим условиям, составу, строению, специфике формирования и динамике мощности полярных шапок Марса,' полученные, в основном, с помощью методов дистанционных измерений с орбиты;

2. В районе оазиса Ширмахера (станция «Новолазаревская», Антарктида) в ходе сезонных работ 2007-2008 гг. были получены данные по составляющим радиационно-теплового баланса поверхности и теплопроводности приповерхностных слоев массива, глубине сезонного оттаивания и температурному режиму пород. Исследовательская площадка была оборудована нами с использованием аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и логтерами, предоставленными Университетом г. Фэйрбэнкса (США). Исследовательская площадка (проект «CALM») занесена в единую базу данных по всему миру;

3. Для пяти полярных станций Антарктиды («Новолазаревская», «Молодежная», «Беллинсгаузен», «Мирный», «Восток») выявлены закономерности временной и пространственной изменчивости составляющих радиационного баланса поверхности, среднемесячных температур поверхности и их амплитуд. Эти же закономерности были выявлены для пространственной сетки полярных регионов Марса. Показано, что они носят во многом аналогичный качественный характер, однако наблюдаются существенные количественные различия;

4. С учетом климатических особенностей, состава и строения отложений полярных регионов Марса скорректирована средняя величина мощности криолитосферы Марса и построены ее гипотетические разрезы в меридиональном направлении;

5. В полярных регионах Марса обнаружены проявления криогенных экзогенных процессов, которые могут быть дифференцированы на 4 группы аналогично классификации экзогенных геологических процессов в криолитозоне, разработанных для земных условий Л.С. Гарагулей;

6. В соавторстве с P.O. Кузьминым, И.А. Комаровым, B.C. Исаевым в 2-х проекциях составлена карта проявления процесса морозобойного растрескивания для 420 участков Марса, где наблюдаются полигональные сети. Полигональные сети внутри ударных кратеров характеризуются наличием полигонов разных генераций. Предложен механизм процесса изменения формы и размеров первоначально образованной морозобойной трещины.

Защищаемые положения.

1. Для Антарктиды и полярных регионов Марса фиксируется аналогичный в качественном отношении пространственно-временной характер закономерностей изменения составляющих радиационно-теплового баланса, температуры поверхности, однако по абсолютной величине наблюдаются существенные различия;

2. Оценена мощность криолитосферы Марса с учетом последних данных, полученных с орбитальных и спускаемых аппаратов, специфики условий в полярных 7 регионах, а также исходя из гипотезы о наличии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов;

3. Наблюдаемая ширина раскрытия трещин в высоких широтах Марса, достигающая в ряде районов нескольких метров, не противоречит гипотезе о том, что фиксируемые полигональные сети в высоких широтах Марса образованы за счет процесса морозобойного растрескивания.

Практическое значение работы. Практическое значение работы связано с отработкой новых методик для исследования криогенных процессов и явлений на Марсе, использующих современные методы дистанционного и непосредственного зондирования (высокая разрешающая способность аппаратуры, ее компактные размеры, работа в автономном режиме и т.д.), которые со временем найдут или уже находят применение для аналогичных исследований при освоении северных территорий России. Определенные результаты могут быть использованы для планирования и осуществления последующих миссий освоения планеты Марс.

Ряд материалов и разработок используется при чтении курсов: «Введение в специальность», «Криология планет», «Общая геокриология», а также в ходе выполнении студентами курсовых, бакалаврских и магистерских работ.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано - 22 работы, из них 6 докладов в трудах международных конференций проводимых за рубежом (Германия, Потсдам, 2005 - 2 доклада; США, Хьюстон, 2006; Китай, Ланьчжоу, 2006; США, Фэйрбэнкс, 2008; США, Сан-Диего, 2008), 7 докладов в трудах международных конференций по сравнительной планетологии «Vernadsky - Brown Microsymposium» (Москва, 2003, 2004-2 доклада, 2006, 2008-2 доклада); 4 - доклада на международных конференциях по криологии Земли (Пущино, 2003, 2004; Тюмень, 2004, 2006); доклад в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005); одна статья опубликована в журнале, рекомендуемом ВАК РФ, «Вестник Московского Университета» (Москва, 2009); 2 доклада на международной конференции «Ломоносов-2004» и «Ломоносов-2006» (Москва, 2004, 2006), 1 доклад на международной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2008).

В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором, или при его участии в ходе исследований, проведенных на кафедре геокриологии, а также в ходе экспедиции в Антарктиду на станцию «Новолазаревская» в составе 53 Российской антарктической экспедиции в течение полевого сезона 2007-2008 гг.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 174 страницы печатного текста состоит из введения, пяти глав, выводов. Список использованной литературы содержит

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Абраменко, Олег Николаевич

Основные выводы и результаты работы

1. При проведении сравнительного анализа, с использованием метода аналогии, Антарктида является наиболее подходящим регионом для сопоставления с полярными областями Марса, в первую очередь с областью северной полярной шапки, состоящей преимущественно из льда НгО. Антарктида сопоставима по площади и мощности ледяного щита и характеризуется наиболее суровым климатом (на станции «Восток» зарегистрирован абсолютный минимум температуры -89,2°С). Крайне важным обстоятельством является минимальное влияние антропогенного фактора на ее природные условия.

2. Обобщены и критически проанализированы последние данные по климатическим особенностям полярных регионов Марса, рельефу, составу и строению полярных шапок, сезонной и годовой динамике изменения их мощности, специфике формирования отложений в полярных регионах, которые получены с помощью аппаратуры, установленной на борту орбитальных аппаратов и посадочных модулей.

3. Обобщена информация по геокриологическим условиям района исследований, расположенного в районе станции «Новолазаревская» (оазис Ширмахера, Антарктида). В ходе сезонных работ 2007-2008 в этом районе с помощью аппаратуры, предоставленной кафедрой геокриологии МГУ и апробированной в камеральных условиях, была отработана методика определения и получены данные по: радиационно-тепловому балансу поверхности, теплопроводности приповерхностных слоев массива, температурному режиму и глубине сезонного оттаивания. В рамках проекта «CALM» заложена площадка для определения глубины сезонного оттаивания и измерения температурного режима с помощью термометрии. Для фиксации результатов в годовом цикле были установлены логгеры, предоставленные университетом Фэйрбэнкса (Аляска, США). Площадка занесена в единую базу данных по всему миру и в дальнейшем на ней будут проводиться аналогичные измерения с определённой периодичностью. Данные, полученные в ходе исследований на площадке, были отражены в отчете Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

4. Проведен краткий обзор литературных данных по геокриологическим условиям пяти российских полярных станций Антарктиды: «Беллинсгаузен», «Новолазаревская», «Молодежная», «Мирный», «Восток». С использованием информации, обработанной при помощи статистических методов, проведен сравнительный анализ широтно-временной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для этих пяти полярных станций и пространственной сетки полярных районов Марса, который показал качественно аналогичный характер составляющих баланса, однако по абсолютной величине их значения различаются. Базовой, для сравнения, была выбрана станция

Восток», которая характеризуется самыми экстремальными температурами не только в Антарктиде, но и на Земле (минимальная температура воздуха -89,2 °С).

5. С учетом последних данных, полученных с орбитальных и спускаемых аппаратов, ряда существующих представлений и посылок о составе, строении и свойствах пород приповерхностных горизонтов, включая гипотезу о наличии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов и учитывая климатические особенности, состав и строения отложений полярных регионов, оценена средняя величина мощности криолитосферы Марса, которая составляет 2400 м. Эта величина близка по порядку к размеру ее земного аналога, но меньше чем считалось ранее. Построены ее гипотетические разрезы в меридиональном направлении.

6. В полярных регионах Марса обнаружены проявления следующих групп экзогенных геологических процессов, которые по классификации JI.C. Гарагули, разработанной для земных условий в криолитозоне, были подразделены на: собственно криогенные — полигональные формы рельефа, криогенное выветривание, морозное пучение пород; ледниковые образования; флювиальные склоновые формы и овраги; гравитационные - оползневые явления, останцовые формы образований в основании склонов, имеющие большое сходство с каменными глетчерами и делювиально-солифлюкционными шлейфами в северных горных районах Земли; процессы эолового происхождения - ветровая эрозия и аккумуляция, приводящие к образованию котловин, дюн, барханов. Низкие температуры и давление, а также пониженная гравитация на Марсе по сравнению с Землей приводят, в основном, к изменению интенсивности протекания процессов.

7. Совместно с P.O. Кузьминым, И.А. Комаровым, B.C. Исаевым составлена классификация и построена в 2-х проекциях карта проявления процесса морозобойного растрескивания на Марсе для 420 участков, где наблюдаются полигональные сети. Проанализированы особенности образования полигональных сетей внутри ударных кратеров. Геометрия полигональных сетей внутри кратера повторяет его очертания и характеризуется наличием полигонов 2-х генераций.

8. На основе морфометрического анализа космоснимков наблюдаемая ширина раскрытия морозобойных трещин на Марсе может достигать нескольких метров, что на порядок больше их земных аналогов. Это ставило под вопрос гипотезу о том, что механизм образования этих форм в высоких широтах Марса - морозобойное растрескивание. Предложен механизм развития и эволюции ширины раскрытия морозобойных трещин, снимающий эти противоречия, который обусловлен сублимацией льда со стенок трещины с последующим обсыпанием пород со стенок и преобразованием первоначальной клиновидной формы в воронкообразную. Количественная оценка процесса показывает, что наблюдаемое раскрытие трещины может сформироваться в течение 10000 земных лет при современных климатических условиях Марса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Абраменко, Олег Николаевич, 2010 год

1. Абраменко О.Н. Методика исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности и глубин сезонного оттаивания в районе оазиса Ширмахера (Антарктида). Вестник Московского Университета. Секция геология, 2009, №4, сс. 67-69.

2. Абраменко О.Н., Исаев B.C., Козлов А.Н. Полигональные формы рельефа на Марсе // Материалы Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций». Посвящается 60-летию Тюменской области, Тюмень, Россия, 2004 М.: Изд-во ТИССО, 2004, с. 160.

3. Абраменко О.Н., Исаев B.C., Полигональные формы рельефа на Земле и На Марсе. XI конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004», Москва, Россия, 12-15 апреля 2004 г. с 117.

4. Абраменко О.Н., Комаров И.А., Исаев B.C. Полярные отложения Марса и Антарктиды. Ломоносовские чтения, Москва, Россия, 2008.

5. Аверьянов В.Г. Климат района станции Восток. Информ. бюл. Сов. антаркт. экспед., 1968, N69, с.79-17

6. Артемьев А.Н. Особенности радиационного режима оазиса Ширмахера (ст. Новолазаревская). Информ. бюл. САЭ, 1976, с. 66-71.

7. Бардин В.И. Горы центральной части Земли Королевы Мод. М.: Наука, 1966. 112с.

8. Богословский Б. Б. Озероведение. М.: МГУ, 1960. 335

9. Будыко М. И., Тепловой баланс земной поверхности, Л., 1956

10. Бурба Г.А., Номенклатура деталей рельефа Марса. М.: Изд-во Наука, 1981, с.

11. Воронов П. С. Абсолютный возраст пород и структура Антарктиды // Информ. бюл. Сов. антаркт. экспедиции. 1961. № 31. С. 15-21.

12. Втюрин Б.И. Гляциологические и геокриологические исследования летом 1981-1982 гг. в оазисе Ширмахера. В кн.: Материалы гляциологических исследований: Хроника, обсуждения, 1982а, вып. 45, с. 108.

13. Втюрин Б.И., Геокриологический очерк оазиса Ширмахера. — Антарктика, Доклады комиссии, вып. 25. М.: Наука, 1986, с. 78-87.

14. Геологический словарь, М: Недра, 1978.

15. Глобус A.M., Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, с.279.

16. Глобус A.M., Экспериментальная гидрофизика почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, с. 355.

17. Гляциологические исследования в районе станции Новолазаревской: Методика и материалы наблюдений. Л., 1966. 53 с.

18. Гляциологический словарь / Под ред. В.М. Котлякова. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 528с.19,20,21,2225