Введение

Введение

Гренландский и Антарктический ледяные щиты представляют собой мономинеральные горные формирования, покрытые осадочным слоем. Метаморфизованную часть составляют ледниковые льды, метаморфизованные несбалансированными напряжениями, возникающими во время движения ледников. Осадочное покрытие имеет максимальную толщину около 90 ж и состоит из снега и фирна 1. Настоящая статья посвящена процессам диагенеза, идущим внутри осадочной толщи, благодаря которым происходит преобразование рыхлого снега в ледниковый лед. Диагенез представляет собой ступень в общем балансе между аккумуляцией снега на поверхности ледника и потерями при стекании льда внутри метаморфизованной части ледникового щита. Несмотря на то что рассуждения частично основываются на наблюдениях, проведенных в Гренландии, они касаются общих проблем уплотнения снега; разумеется, результаты не ограничиваются рассмотрением лишь твердой составляющей льда, но вполне применимы и к общему диагенезу рыхлых осадков, в результате которого они превращаются в твердый, похожий на камень лед.

Поскольку в Гренландии, Антарктике и на ледниках умеренной зоны накоплено большое количество данных о плотности снега, необходимо определить параметры, по которым можно было бы судить о реально существующих в снегу условиях. Чтобы сравнить данные, полученные из разных районов, необходимо иметь простое аналитическое выражение для плотностных профилей по глубине снега, которое объединяло бы эти параметры. Нашей целью является определение общей для всех случаев (насколько это возможно) зависимости плотности снега от глубины, используя при этом возможно меньшее число различных параметров.

Уплотнение снега аналогично процессу спекания в порошковой металлургии. В обоих случаях рыхлая масса преобразуется в твердое вещество благодаря заполнению внутренних пор и уменьшению площади поверхности. Процессы диагенеза внутри осадочного поверхностного слоя Гренландского ледяного щита представляют собой как бы гигантское «экспериментальное спекание». Однако этот «эксперимент» происходит в условиях, в значительной степени отличающихся от лабораторных. Главное различие заключается в том, как изменяются основные параметры, от которых зависит диагенез: давление, температура, объем и время. Продолжительность большинства лабораторных экспериментов слишком мала, чтобы их можно было сравнивать с тем, что в аналогичных условиях происходит в природе.

В проблему уплотнения снега входит время протекания различных процессов в ледяном щите. В качестве первого приближения к аналитическому решению этой проблемы были сделаны некоторые допуски и упрощения. Во-первых, аккумуляцию нового снега условно будем считать одинаковой и равной А г/см2  год; скорость накопления снега примем достаточно малой, чтобы время накопления было сопоставимо с временем, необходимым снегу для полной реакции на приложение нагрузки1. Тогда внутри образованного осадками поверхностного слоя снег и фирн, сдвигающиеся вниз в процессе уплотнения под действием вертикального градиента давления, будут создавать устойчивую систему, в то время как кривая изменения плотности с глубиной останется инвариантной со временем в соответствии с законом Зорге и работами Бенсона. Таким образом, часть временной зависимости уплотнения оказывается исключенной благодаря статическим условиям как известная переменная. Время входит также в виде действительно зависимых от времени процессов, которые будут рассмотрены дальше.

Условимся также считать, что плотность зерен, из которых состоит лед, не изменяется тогда изменения объема мы будем относить только за счет заполнения пор льдом. Следовательно, удельный объем льда будет постоянным и равным 1,09 см3/г. Температура в любой данной точке ледяного щита, расположенной на глубине более 10 м, в сущности будет инвариантной со временем.

Переменными, которые предстоит определить, остаются: пространство, занятое порами, и вертикальное давление, т. е. тяжесть вышележащего снега и фирна. При условии что во время эксперимента снег находится в статическом положении, а температура не изменяется, можно предположить, что скорость заполнения пор будет прямо пропорциональна их общему количеству: снега и т — функция уплотнения, включающая члены, зависящие от времени и давления.

Функциональная сущность этих процессов неизвестна, но при принятых нами условиях (статическая система и постоянная скорость аккумуляции) т можно рассматривать как константу2. Это дает возможность непосредственно исследовать первое приближение, только что использованное в уравнении (1), в частности проверить вычисленные данные непосредственными наблюдениями.

 Данные о плотности снега на различных глубинах, полученные на организованных SIPRE исследовательских станциях; одна из станций, 2-100находилась в северо-западной части Гренландии. Пробы отбирались около снега 2. Две другие станции находились на ледниках средних широт, и пробы здесь отбирались из увлажненных поверхностей. Величины т, определенные в неувлажненных поверхностях Гренландии на других станциях, хорошо согласуются с данными станции 2-100.

Что в увлажненных горизонтах скорость уплотнения в 2 раза больше, чем в сухих величины т для увлажненных поверхностей Гренландии хорошо согласуются с их значениями, определенными на ледниках. Верхний Сьюард и Голубом; это является характерным признаком наличия талой воды, просачивающейся через снежный покров из увлажненных горизонтов. Рассмотрение вопроса здесь сосредоточено на случаях, когда таяние незначительно; поскольку данные, полученные со станции 2-100, наиболее полны, они будут рассмотрены подробно.

Изменение скорости уплотнения на станции 2-100 на глубине около 10 м под поверхностью снега видно. Для удобства будем называть глубину, на которой происходит перегиб линии, характеризующей уплотнение, «критической глубиной» Zk; соответственно этому измеренные на этой глубине значения давления, плотности, удельного объема, коэффициента пористости и температуры будем считать критическими величинами Pa, vu, 6а и Тк- Наклон кривой, показывающей изменение объема при изменении нагрузки, вычисляется по уравнению -и для точек, расположенных выше 2а, и для лежащих ниже этой глубины; однако, как видно, параметр m почти в 4 раза больше, чем для расположенных ниже нее. Данные других Гренландских станций также показывают резкий изгиб кривой скорости уплотнения, и, как видно, в увлажненных горизонтах перегиб кривой наблюдается на меньших глубинах и при больших плотностях, чем в сухих.

Прежде чем перейти к рассмотрению способов уплотнения, мы исследуем кривую изменения плотности при изменении глубины, результирующую сделанное нами ранее допущение, согласно которому снежная толща находится в устойчивом состоянии. Это необходимо, поскольку кривая изменения плотности связана с непосредственно измеренными колебаниями глубины и плотности. Зависимость плотности от глубины можно получить из уравнения (1), сделав следующие подстановки:

Интересно проверить характер кривой изменения плотности с глубиной по производным. Первая производная показывает, что изменение плотности с глубиной пропорционально произведению пористости, помноженной на квадрат плотности, т. е.

Точка перегиба у е = 2/з0у зависит от величины параметра т, но является прямым следствием функциональной зависимости, предполагаемой уравнением (1).

Читайте так же:

Комментарии запрещены.