Ученые Санкт-Петербургского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН) «заглянули» на десятки километров под Землю, чтобы найти глубинные причины ускоренного таяния многолетних льдов.

За последние 20 лет произошло увеличение скорости таяния полярных льдов на 65 %. В основном этот процесс определяется резким увеличением потерь ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии, а также многолетних льдов Северного ледовитого океана. Эти явления часто связывают с глобальным потеплением, но на самом деле ледяные запасы планеты размываются как с поверхности, так и из глубины земной коры и мантии под действием геотермального теплового потока. Существенную роль в процессе деструкции льда играют вертикальные термофлюидные каналы.

«Флюидоподводящие каналы представляют собой разломные зоны, проще говоря – систему трещин, секущих слои земной коры, – говорит заведующая сектором магнитной картографии СПбФ ИЗМИРАН Алевтина Петрова. – Флюид – химически агрессивное вещество в виде разогретого газоконденсата сложного состава. По трещинам он поднимается из мантии сквозь земную кору к поверхности Земли и влияет своим теплом на таяние льдов».

Чтобы учесть это влияние, СПбФ ИЗМИРАН создал технологию выявления траекторий мантийных термофлюидных каналов и питающих их линз флюидных систем. Пути миграции флюидных потоков, разрушающих ледяной покров, визуализируются на глубинных петрофизических разрезах земной коры и литосферы Земли в виде каналов с пониженными магнитными и плотностными свойствами. Эти разрезы строятся в результате комплексной интерпретации аномалий магнитного поля Земли и аномалий силы тяжести. Исходными данными служат обновленная в 2020 г. СПбФ ИЗМИРАН трехмерная векторная модель геомагнитного поля, построенная на основе приземных аэро- и гидромагнитных модульных съемок, и модель гравитационного поля, созданная с учетом результатов многолетних сейсмических и других геофизических исследований. Верификация моделей по спутниковым данным подтвердила их высокое качество.

Рис. 1. Карта полярных областей Арктики (слева) и Антарктики (справа), для которых составлялись глубинные разрезы вдоль обозначенных прямыми линиями профилей. Цветом выделены аномалии Z-компоненты магнитного поля.

Объектом исследования является литосфера полярных областей Арктики и Антарктики соответственно к северу от 50° с.ш. и к югу от 50° ю.ш. (рис. 1).

По аномалиям силы тяжести строятся плотностные разрезы, по аномалиям компонент геомагнитного поля – магнитные. На магнитных разрезах термофлюидные каналы четко выделяются в виде зон с пониженными магнитными свойствами. На плотностных разрезах флюидоподводящие каналы выглядят как разуплотненные треки. (См. желтые стрелки на рис. 2.)

Рис. 2. Разрезы литосферы Арктики по профилю 3–3'. Вверху – карта ледового покрытия Северного ледовитого океана (февраль 2020 г.). Под картой (сверху вниз) – глубинные разрезы по аномалиям плотности, H- и Z-компоненты магнитного поля. Обозначения: 1 – физико-географические элементы; 2 – землетрясения; 3 – траектория перемещения магнитного полюса 1900–2020 гг.; 4 – алмазосодержащие породы (кимберлиты); 5 – старый лед; 6 – однолетний лед (30–200 см); 7 – молодой лед; 8 – нилас (эластичная ледяная корка толщиной до 10 см, легко прогибающаяся на волне и зыби); 9 – припай. Физико-географические элементы на верхней карте: 1 – Северо-Американская платформа; 2 – Канадский архипелаг; 3 – хр. Альфа; 4 – котловина Макарова; 5 – хр. Ломоносова; 6 – котловина Амундсена Евразийского бассейна; 7 – хр. Гаккеля; 8 – Восточная Сибирь (Ленский литосферный корень).

Как видно на карте рис. 2, половина Северного ледовитого океана покрыта многолетними льдами, а другая половина – свободна от него. И дело здесь не в разных климатических условиях. Если посмотреть на разрезы аномалий плотности и магнитного поля, то легко увидеть причину этого: наличие флюидоподводящего канала (желтые стрелки) к поверхности морского дна, направленное действие теплового потока по которому приводит к ускоренной локальной деградации льда, уменьшению толщины многолетнего ледяного покрова и формированию границы однолетнего льда.

Особенно хорошо этот канал выделяется на разрезах по аномалиям компонент магнитного поля в виде цепочки синих и зеленых линз. На разрезе по аномалиям плотности видно, что питающая канал мощная линза флюидной системы расположена на глубине 90–110 км. Известно, что чем глубже находится питающая канал линза, тем она горячее и, следовательно, тем большее тепловое воздействие оказывает идущий от нее канал.

Важен и учет сейсмической активности (фиолетовые точки). При наличии сейсмического события в линзах флюидных систем возникают пульсирующие колебания, провоцирующие активность вертикальной миграции потоков флюидов по термофлюидным каналам. Это приводит к увеличению интенсивности термального потока флюидов в зонах выхода к поверхности.

Под Сибирью на рис. 2 ярко проявляется мощный субвертикальный блок повышенной плотности и намагниченности: это Ленский литосферный корень – один из наиболее крупных известных корней литосферы Восточной Сибири. Намагниченный киль этого корня прослеживается до глубины более 50 км, а толщина плотного блока корня составляет более 100 км.

Исследование литосферы зоны вечной мерзлоты Восточной Сибири показало, что к районам с мощными корнями литосферы тяготеют зоны со стабильной толщиной ледяного горизонта вечной мерзлоты. Это позволяет сделать предположение, что стабильность ледяных горизонтов многолетней мерзлоты обеспечивается холодными блоками корней литосферы, перекрывающими тепло мантии.

Кроме того, анализ глубинных разрезов через месторождения Якутской алмазоносной провинции показал, что к корню литосферы тяготеют месторождения алмазов (бирюзовые звездочки на рис. 2).

Рис. 3. Разрезы литосферы Арктики по профилю 4–4' (Гренландия–Восточная Сибирь). На верхней карте цветом обозначены: тепловой поток для Гренландии (1), тип ледового покрытия для Северного ледовитого океана на март 2019 г. (2) и толщина ледяного горизонта вечной мерзлоты для Восточной Сибири (3). Оранжевые кружки в Сибири – месторождения золота, оранжевая линия – границы золотоносной провинции. Физико-географические элементы: 1 – кратон (древняя платформа) Гренландии, 2 – северо-западный – юго-восточный пояс Гренландии, 3 – северо-гренландский складчатый пояс, 4 – хр. Ломоносова, 5 – Евразийский бассейн, 6 – море Лаптевых, 7 – Верхоянская астенолинза (область перегретых разуплотненных масс вещества верхней мантии); 8 – Якутский литосферный корень. Под картой (сверху вниз): глубинные разрезы по аномалиям плотности, Z- и H-компоненты геомагнитного поля.

На рис. 3 также можно видеть сильное влияние термофлюидных каналов на многолетний лед Северного ледовитого океана. А выход такого канала к поверхности в северной Гренландии привел к тому, что подповерхностные тепловые потоки там гораздо сильнее, чем на юге, где поверхность защищена от подземного тепла остатком древней платформы (кратоном). Стабильность ледникового щита Гренландии зависит от геотермального потока из глубин мантии. Кратон на юге Гренландии, характеризующийся толщиной до 200–270 км, создает значимый киль в литосфере. Возможно, он является литосферным корнем, аналогичным Ленскому корню в Восточной Сибири, который перекрывает мантийный тепловой поток и тем самым сохраняет зоны ледяного покрова многолетней мерзлоты в стабильном состоянии.

Если литосферные корни связаны с алмазами, то термофлюидный канал в древних докембрийских блоках фундамента – это признак наличия рудных месторождений, в частности – золота (оранжевые кружки на рис. 3). Проведенное исследование в зоне вечной мерзлоты Восточной Сибири показало, что сквозные талики (термические ареалы таяния), возникающие под влиянием выходов к поверхности термофлюидных каналов, представляют собой горячие пятна рудных узлов гидротермальных месторождений, образующихся из эндогенных (обусловленных внутренними причинами) газово-водных растворов.

Фактором образования полезных ископаемых горячих пятен рудных узлов является вынос гидротермальными потоками рудоносных флюидов, поставляемых термофлюидными каналами из глубокофокусных тектонических зон докембрия и верхнемантийных линз. В рудных узлах гидротермальных месторождений создается повышенная концентрация цветных и благородных металлов.

Характерно, что месторождения благородных металлов отмечены и на выходе термофлюидного канала на самом юге Гренландии.

Рис. 4. Разрез литосферы Антарктики по профилю 5–5' (Земля Элсуэрта–Земля Принцессы Елизаветы). На карте цветом обозначена толщина льда Антарктиды. Физико-географические элементы: 1 – Море Беллинсгаузена; 2 – горы Элсуэрта; 3 – массив Винсон; 4 – Трансантарктические горы; 5 – Горы Гамбурцева; 6 – кратон Вестфолл (Земля Принцессы Елизаветы). Под картой – глубинный разрез по аномалиям Z-компоненты магнитного поля.

Ледниковые многолетнемерзлые отложения Антарктиды являются одними из самых древних на Земле. На карте на рис. 4 легко увидеть разницу между толщиной льдов на двух половинах континента, и одним глобальным потеплением ее не объяснишь. Помимо климатических рисков, ледники могут разрушаться и под воздействием глубинного фактора – направленного действия тепловых потоков, восходящих по термофлюидным каналам с глубины 50–100 км.

«И эндогенный, и климатический факторы вносят свои вклады, при этом климатический фактор – сезонный, – говорит Алевтина Петрова. – В то же время необходимо отметить и периодичность тектоно-магматической активизации термофлюидных систем, которые могут находиться в неактивном состоянии, а могут активизироваться под действием глубинных причин, среди которых – изменения поля напряжений земной коры в периоды подготовки и совершения землетрясений и после них».

Таяние полярных льдов – сложный многоплановый процесс, требующий дальнейшего изучения с учетом эндогенного фактора, который позволит предсказать, где таяние будет происходить более интенсивно.

И, конечно, исследования по аномалиям магнитного и гравитационного поля имеют значение и для поиска полезных ископаемых. На основе глубинных разрезов по аномалиям компонент геомагнитного поля разработаны региональные критерии поиска долгоживущих месторождений углеводородов, термальных зон земной коры, перспективных для поиска золоторудных месторождений, железистых кварцитов и коренных месторождений алмазов.

«Метод спектрально-пространственного анализа успешно опробован в Тимано-Печорской, Волго-Уральской, Прикаспийской, Сибирской нефтегазоносных провинциях, а также в Туркмении, Белоруссии и на шельфе Баренцева и Северного морей, – говорит Алевтина Петрова. – Уже опубликованы результаты работ на поиск месторождений золота, марганца, коренных алмазов и термальных вод».

Подробнее см. «Глубинное строение Арктики и Антарктики по магнитным аномалиям компонент и аномалиям силы тяжести», А. А. Петрова, О. В. Латышева, Ю. А. Копытенко, «Космические исследования», 2022, т. 60, № 4, с. 331–347.

Редакция сайта РАН, фото 12019/Pixabay.