Баротермический эффект

Материалы студентам и ученикам / Удивительная мерзлота / Баротермический эффект

Страница 2

Последующее похолодание привело к образованию верхнего слоя мерзлых пород, который, однако, не достиг кровли нижнего слоя мерзлоты. Климатические трансформации продолжались несколько тысячелетий. За столь значительное время температура внутри реликтового слоя должна была установиться в соответствии с условиями термодинамического равновесия в толще. Равновесная кривая (1) на рис. 3 имеет наклон из-за влияния гидростатического давления на точку фазового равновесия воды в мерзлом грунте. Значительное отклонение фактических данных от кривой равновесия представляется совершенно неожиданным. Реликтовый слой оказывается охлажденным ниже равновесной температуры, несмотря на то, что расположен между двумя талыми образованиями, имеющими положительную температуру. В этом можно было бы усмотреть даже нарушение второго начала термодинамики. Какое-либо традиционное объяснение такого распределения температуры практически невозможно. Например, можно предположить какое-либо специфическое распределение концентрации растворенных солей в поровом растворе, которые смещали бы точку равновесия фаз в пласте. Однако авторы наблюдений подчеркивают, что минерализация грунтовой воды чрезвычайно мала и не влияет на кривую равновесия. Не проходят и иные доводы, в частности основанные на колебаниях температуры поверхности массива в силу существования мощного талика над реликтовым слоем.

Ответ на вопрос содержится в диаграммах рис. 2 и анализе образования реликтового слоя. В период потепления, когда верхний слой грунта оттаивал, нижний мерзлый - нагревался. В какой-то момент нагрузка от вышележащей толщи стала превышать равновесное значение для внутригрунтового льда, который при более низких температурах находился в термодинамическом равновесии с окружающей породой. (Повышение нагрузки от верхнего слоя есть результат ослабления сдерживающего влияния мерзлого грунта, силы сцепления частичек которого ослабевают с повышением температуры.) С этого момента лед начал таять, что и привело к охлаждению массива. Плавление льда во всем объеме реликтового слоя протекает очень медленно, и наблюдаемое распределение температуры может сохраняться многие сотни и тысячи лет.

Строгие уравнения, которые переводят наши рассуждения в плоскость количественных расчетов, подтверждают этот вывод. Кривые 2-4 на рис. 3, полученные расчетным путем, показывают, сколь длительным может быть этот процесс. Важно здесь и то, что вытаивающая жидкость движется по незамерзающим коммуникациям мерзлого грунта в талые образования по обе стороны реликтового слоя. Интересно, как чутко реагирует мерзлый массив на изменение внешних условий в соответствии с общим принципом Ле Шателье. Потепление климата вызывает охлаждение массива!