Сравнительный анализ мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса

Глава 4. Мощность криолитосферы Марса

В современных условиях Марса устойчивое существование льда в поверхностном грунте достигается на широтах в северном полушарии выше 40^o, в южном - выше 55^o. Основные проявления мерзлоты представлены характерными типами рельефа и образованиями: постоянными полярными шапками, флюидизированными выбросами из метеоритных кратеров, подсклоновыми шлейфами с признаками вязкопластичного течения пород, провально-просадочными и термоэрозионными образованиями, буграми пучения, оползневыми и полигональными формами рельефа. Данные по нейтронной спектроскопии дают количественные оценки содержания льда в этих горизонтах высоких широт, а при помощи спускаемого космического аппарата в 2008 году было получено прямое свидетельство наличия льда Н₂О в приповерхностных горизонтах. Радар позволил получить данные по глубинному распространению льда Н₂О и CО₂ только для районов полярных шапок, достигающему 4 км. Тем не менее, большинство известных исследователей поддерживают гипотезу о наличие на Марсе криолитосферы, в отличие от Земли, где мерзлые породы распространены не повсеместно (криолитозона).

Существующие представления о мощности мерзлых пород и криолитосферы Марса базируются на работах Р.О. Кузьмина, М.С. Красса, S.M. Clifford и T.J. Parker и др. Оценка средней мощности криолитосферы Марса была проведена ими на основе модели установившегося температурного поля. Мощность массива мерзлых марсианских пород находилась по профилю стационарного распределения температуры по глубине для однослойной или многослойной литологической модели разреза, зная среднюю температуру поверхности, температуру фазового перехода Н₂О и значение теплопотока к нижней границе мерзлоты. Различия заключались в выборе: величин усредненных значений коэффициента теплопроводности верхних горизонтов, величин теплопотока снизу, средних температур поверхности, модели разреза. В результате расчетов у М.С. Красса и В.Г. Мерзликина средняя мощность мерзлых пород составила 2,7 км; у Р.О. Кузьмина значения варьируют от 5 км под полярными шапками до 1,5 км в экваториальной зоне, а среднее значение составило 3,23 км; у S.M. Clifford и T.J. Parker значения средней мощности мерзлых пород составили 2,3-4,7 км на экваторе и 6,5-13 км на полюсах. Корректировка этих величин в сторону уменьшения была обоснована в работах И.А. Комарова и В.С. Исаева. Ими были учтены: влияние давления на температуру замерзания воды Н₂О; наличие на поверхности иссушенного слоя реголита мощностью 0,3∻1,5 метра, с крайне малой теплопроводностью, термическое сопротивление которого весьма существенно и сопоставимо с сопротивлением слоя свежевыпавшего снега мощностью 5∻10 м; последние данные по льдистости и теплопроводности пород верхних горизонтов; наличие минерализации поровых растворов, исходя из гипотезы о присутствии в недрах Марса высокоминерализованных рассолов.

Однако вне рассмотрения осталась специфика условий в полярных регионах: климата, состава, строения и мощности полярных шапок, а также топография Марса в меридиональном направлении. Используя указанные выше предпосылки, нами, для оценки расчетной мощности криолитосферы, были проанализированы данные МКБД по температурному режиму пород и изменение высотных отметок (по интерпретации данных марсианского орбитального лазерного высотомера ) в меридиональном направлении. Данные о мощности отложений льда Н₂О и CО₂ в полярных регионах принимались на основе результатов зондирования радаром . Анализ этих данных отражен в тексте третьей главы. Учет влияния давления вышележащих толщ на температуру начала замерзания рассолов осуществлялся дифференцировано: для полярных регионов использовалось классическое уравнение Клапейрона - Клаузиуса; для остальных регионов - обобщенное уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Химический состав рассолов принимался хлоридно-магниевым.

Произведенные расчетные оценки показали, что мощность криолитосферы Марса составляет в среднем 2400 м. Разрез сложен слоями (начиная с поверхности): морозных (мощностью до 300 м), мерзлых (мощностью от 1500 до 1900 м), охлажденных пород (мощностью от 40 до 250 м), и талых пород. В составе мерзлых пород были выделены криогидратсодержащие породы (мощность до 2200 м), не имеющие аналогов на Земле. Были построены гипотетические разрезы криолитосферы Марса в меридиональном направлении, в частности приведенные на рисунке 4.

В предположении, что в приповерхностных слоях приполярных регионов величина льдистости криолитосферы (по данным нейтронной спектроскопии) находится в диапазоне 50-55% по массе, можно оценить суммарный объем содержания льда в сферической оболочке Марса. Принимая среднюю мощность 2,4 км, при внешнем радиусе Марса в 3394 км она составит (0,6∻3)^.10⁸ км³, что примерно на 2 порядка превышает объем льда Н₂О в полярных шапках. Так, по расчетам специалистов, работающих с данными , суммарный объем льда в южной полярной шапке (включая пылевые отложения и отложения льда СО₂) равняется (1,6 ± 0,2)^.10⁶ км³.