Сравнительный анализ мерзлотных условий и проявлений процесса морозобойного растрескивания на высоких широтах Земли и Марса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат геолого-минералогических наук Исаев, Владислав Сергеевич

• Исаев, Владислав Сергеевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Исаев, Владислав Сергеевич

Введение.

Глава 1. Современные представления об атмосфере, климате и геологическом строении Марса.

1.1. Общие сведения о планете Марс.

1.2. Особенности атмосферы и климата Марса.

1.3. Краткое представление о геологической истории Марса.

1.4. Рельеф, состав и строение приповерхностных горизонтов Марса.

1.5. Геологическое строение Марса.

1.6. Наличие жидкообразной и твердой фазы НгО в приповерхностном и глубинном горизонтах Марс.

Глава 2. Геокриологические условия планеты Марс.

2.1. Оценка временной и пространственной изменчивости температуры приповерхностного слоя атмосферы и поверхности для высоких широт Марса (по материалам Глобальной Марсианской Климатической Базы Данных ГМКБД).

2.2. Существующие представления о мощности мерзлых пород и криолитосферы Марса.

2.3. Уточненная оценка средней мощности мерзлых пород и криолитосферы Марса.

2.4. Проявления процессов предположительно мерзлотного генезиса.

Глава 3. Свойства пород верхних горизонтов Марса с привлечением данных по земным породам в диапазоне отрицательных температур.

3.1. Состав пород поверхности Марса и их физические свойства.

3.2. Теплофизические свойства марсианских и земных пород при низких отрицательных

1 температурах.

3.3. Оптические свойства пород поверхности Марса.

3.4. Корреляция оптических и теплофизических свойств пород поверхности Марса.

3.5. Механические свойства земных пород при низких отрицательных температурах.

Глава 4. Проявления, динамика и механизм процесса морозобойного растрескивания на Марсе и на Земле.

4.1. Проявление полигональных форм рельефа на Марсе.

4.2. Результаты совместного морфометрического и статистического анализа полигонального рельефа на Марсе и на Земле.

4.3. Механизм образования и формы проявления процесса морозобойного растрескивания на Земле.

4.4. Возможный механизм образования и развития морозобойных трещин на Марсе.

Глава 5. Математическое моделирование процесса морозобойного трещинообразования на Марсе.

5.1. Динамика температурного режима верхних горизонтов пород Марса.

5.2. Методика оценки линейных размеров марсианских полигонов морозобойного растрескивания на Марсе.

5.3. Результаты сопоставления расчетных данных по размерам полигонов с данными морфометрии поверхности Марса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сравнительный анализ мерзлотных условий и проявлений процесса морозобойного растрескивания на высоких широтах Земли и Марса»

Актуальность проблемы. Геокриология является частью более общей науки криологииIпланет. 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. 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. Огромный фактический материал, накопленный за. последнее время неизмеримо расширил и во многом изменил существующие представления об атмосфере, климате и поверхности Марса,, который стал в настоящее время, центральным объектом, исследовательских программ. Накопленные уникальные данные: по климатическому мониторингу планеты, позволяют получать информацию о любой; точке поверхности Марса, с точностью, сопоставимой с земными данными. Это позволило вывести: наши представления о Марсе из области гипотез на качественно новый уровень. Открылись возможности сопоставить эти данные с результатами аналогичных исследований по Земле. Задача проведения сравнительного анализа мерзлотных условий, изучения динамики криогенных процессов и их проявлений с которыми связаны различные пути эволюции, планет, составляет важное направление исследований в рамках указанной проблемы. Эта тематика была; названа президентом международной ассоциации геокриологов Джерри Брауном на 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005) в числе одной из трех приоритетных,, что нашло свое отражение в формировании соответствующих секций на Международных; (Тюмень, 2004; Пущино, 2005; Потсдам, 2005) и национальных (Москва, 2005) совещаниях специалистов- мерзлотоведов.

Несмотря на уже накопленный материал по атмосфере и климату Марса, а также: морфологии его поверхности (коллекция=космоснимков NASA и российского; агентства по исследованию космоса содержит более 600 000 снимков), работ о проявлениях процесса морозобойного; растрескивания пород на Марсе немного. В: рассматриваемом ракурсе проведения сравнительного анализа с аналогичными проявлениями процесса на Земле они носят, как правило, отрывочный и фрагментарный характер. Обнаруженные в высоких широтах обширные территории, покрытые полигональной сетью трещин, вызывали дискуссии, о генезисе и характере этих форм, об их взаимосвязи с современными и палеоклиматическими условиями на планете. Полученные данные позволяют рассмотреть этот вопрос как актуальную научную проблему.

Цель и задачи исследоиаиии. Основной целью работы является проведение сравнительного анализа мерзлотных условий; и проявлений процесса морозобойного растрескивания на высоких широтах Земли и Марса. Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Проанализировать последние данные по криологическим условиям Марса, которые получены с помощью • дистанционного и непосредственного зондирования его поверхности с помощью орбитальных аппаратов и посадочных модулей; скорректировать представления о величине мощности морозных, мерзлых и охлажденных пород в рамках гипотезы о наличии в его недрах высокоминерализованных солевых растворов;

2. Провести анализ широтно-временной изменчивости ряда: составляющих радиационно-тегшового баланса поверхности Марса, суточных, сезонных и годовых колебаний её температуры и температуры, приповерхностных слоев атмосферы;, с помощью математического моделирования оценить возможную динамику температурных полей в верхних горизонтах пород;

3. Обобщить и сопоставить имеющийся фактический материал о составе пород верхних горизонтов Марса, их теплофизических, оптических и механических свойствах с аналогичными данными по земным породам, полученным для диапазона низких отрицательных температур;

4. Провести сравнительный морфологический, морфометрический: и: статистический анализ геометрии: и линейных размеров полигонов морозобойного; растрескивания для высоких широт Земли; и Марса; для последнего составить классификационную схему и карту проявлений этих форм рельефа;

5. Проанализировать и сопоставить результаты математического моделирования* линейных размеров полигонов! морозобойного растрескивания: на Марсе с данными, полученными с помощью орбитальных аппаратов.

Фактический материал представлял собой: космоснимки высокого разрешения Марсианской: Орбитальной Камеры (МОС) с орбитального комплекса: Mars Global ; Surveyor и аппарата Марс-3; исследовательской аппаратуры, установленный; 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 Mossbauer) и Opportunity. Для анализа климатических данных атмосферы и поверхности использовалась База: данных Европейского агентства; (the Mars Climate Database of the European Space Agency, Laboratoire de Meteorologie Dynamique du C.N.R.S., the UK Particle

Physics and Astronomy Research Council). Данные по земным полигонам морозобойного растрескивания, представляли собой аэрофотоснимки арктических областей России (Новосибирские о-ва, п-ов Ямал, архипелаг Новая Земля, Тазовский п-ов) и Антарктиды (Земля Виктории), соответствующие геологические разрезы и результаты температурных наблюдений.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:.

1 .Обобщены последние данные об атмосфере, климате, геологическом: строении Марса и проявлениях экзогенных процессов мерзлотного генезиса.

2. Для высоких широт Марса количественно оценена временная^ и пространственная изменчивость: ряда составляющих радиационно-теплового баланса поверхности; средних температур в приповерхностном слое атмосферы и их амплитуд; среднегодовых, средне сезонных и среднесуточных температур поверхности: и их амплитуд, а также параметров характеризующих теплофизические и оптические свойства пород поверхности.

3. Обобщены и скорректированы, в сторону ощутимого уменьшения, представления о мощности мерзлых пород Марса.

4. Показано, что экспериментальные данные по теплофизическим, оптическим и механическим - свойствам полученные для земных пород при низких отрицательных температурах могут быть использованы при* определенной; корректировке для анализа криогенных процессов на Марсе.

5. Проведенный сравнительный морфометрический и статистический анализ формы; и размеров : полигонов на Земле и Марсе, результаты математического моделирования, а также наличие стабильного льда HjO позволили предположить, что полигональные формы, марсианского микрорельефа, отмеченные на: высоких широтах, сформировались в результате морозобойного растрескивания, сопровождающегося ростом : ледяных, льдогрунтовых или фунтовых жил. В высоких широтах Марса, кроме реликтовых наблюдаются! и развивающиеся формы.

6. Совместно с Кузьминым P.O. разработана классификация полигонов; морозобойного растрескивания и на основе ее составлена карта проявлений процесса (нанесено 420 участков).

Практическое значение работы. Практическое значение работы связано с отработкой комплексной методики для исследования криогенных процессов на Марсе, использующих самые современные дорогостоящие методы дистанционного и непосредственного зондирования (высокая: разрешающая: способность, автоматизированные комплексы и т.д.), которые со временем найдут и уже находят применение для аналогичных исследований при современном освоении северных территорий. 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», «Геокриология», а также в ходе выполнении студентами курсовых, бакалаврских и магистерских работ.

Апробация работы. По материалам работы опубликовано — 15 работ, из них 4 статьи в трудах Международных конференций проводимых за рубежом (США, Хьюстон, 2002; Канада, Альберта 2003; Германия, Потсдам , 2005), 4 - доклада в трудах международных конференциий по сравнительной планетологии «Vernadsky - Brown Microsymposium» (Москва, 2001, 2002, 2003); 5 - докладов на Международных конференциях по криологии Земли ( Путцино, 2002, 2003, 2005; Тюмень, 2004); 3 - статьи, в трудах 2 и 3 конференции геокриологов России (Москва, 2001, 2005); 1 -статья в «Вестнике Московского университета» и 1 доклад на Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2004» (Москва, 2004).

Структура и объем работы. Работа объемом: 144 страницы печатного текста, состоит из > введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (175 наименований) и приложения, в котором j приведен; исходный фактический материал (географические координаты участка; фазовый угол, солнечная долгота и * разрешение снимка; тип по классификации для 420 найденных полигональных областей; карты изменений климатических параметров на Марсе). Она проиллюстрирована 112 цветными рисунками и 16 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Исаев, Владислав Сергеевич

Выводы к главе 5:

Расчетная оценка линейных размеров марсианских полигонов, проведенная в рамках двухслойной термоупругой модели, показала, в целом, удовлетворительную сходимость с; размерами полигонов, оцененных с помощью морфометрии.

Выбранные на основе : моделирования линейных размеров полигонов значения мощности слоя реголита (0.2 -г 1.0 м), были позже подтверждены прямыми измерениями с помощью гамма-нейтронной спектроскопии. Этот разуплотненный, крайне плохо проводящий тепло слой играет роль земного снежного покрова мощностью 5 -т- 10 м, срабатывающего существенную часть температурных колебаний на поверхности.

Результаты математического моделирования линейных размеров полигонов, морфометрического и статистического анализа, а также факт наличия стабильного льда НгО позволяют предположить, что полигональные формы марсианского микрорельефа, отмеченные на высоких широтах, сформировались в результате процесса морозобойного растрескивания, сопровождающегося ростом ледяных, льдогрунтовых или грунтовых жил.