Радиолокационное профилирование ледникового покрова, коренного рельефа и подледниковых водоемов Восточной Антарктиды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, доктор геолого-минералогических наук Попов, Сергей Викторович

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Попов, Сергей Викторович

СПИСОК РИСУНКОВ И ТАБЛИЦ.

1 СЕЙСМО-РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В АНТАРКТИДЕ.

1.1 Открытие Антарктиды и начало её изучения.

1.2 Общая характеристика отечественных работ в Антарктике.

1.3 Отечественные сейсмо-радиолокационные исследования.

1.4 Зарубежные сейсмо-радиолокационные исследования.

1.5 Проекты BEDMAP и ABRIS.

2 РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ.

2.1 Основные принципы РЛП и аппаратура.

2.2 Основные задачи РЛП.

2.3 Оценка точности измерений.

2.4 Моделирование временных радиолокационных разрезов.•.

3 МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ И КАРТОСОСТАВЛЕНИЯ.

3.1 Обработка данных РЛП.

3.2 Интерпретация временных радиолокационных разрезов.

3.3 Формирование карт изолиний.

4 ЛЕДНИКОВЫЙ ПОКРОВ АНТАРКТИДЫ.

4.1 Характеристика ледникового покрова Антарктиды, его формирования и эволюции.

4.2 Подледниковые водоёмы Антарктиды.

4.3 Район подледникового озера Восток.

5 КОРЕННОЙ РЕЛЬЕФ И ОРОГРАФИЯ АНТАРКТИДЫ.

5.1 Коренной рельеф Антарктиды и гляциоизоставия.

5.2 Коренной рельеф индоокеанского сектора Восточной Антарктиды и его орография.

5.3 Коренной рельеф и орография района подледникового озера Восток.

5.4 Коренной рельеф и строение района подледникового озера Пионерское.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», 25.00.10 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиолокационное профилирование ледникового покрова, коренного рельефа и подледниковых водоемов Восточной Антарктиды»

Антарктида перекрыта мощным ледником более чем на 95% своей территории [3, 298]. Континент и сейчас, в начале третьего тысячелетия, является предметом пристального внимания, и вместе с тем, во многих отношениях был и остаётся "белым пятном" на карте нашей планеты. Этому способствует его уникальное географическое положение: он практически весь расположен в южной полярной области, что само по себе, ввиду суровых условий, затрудняет проведение геолого-геофизических исследований. Кроме того, многокилометровый ледниковый покров делает недоступным для изучения прямыми методами его коренное ложе. Комплексные аэрогеофизические исследования и, прежде всего, радиолокационное профилирование (РЛП), помогают не только "снять" ледниковый покров, определить его мощность и изучить подлёдный рельеф, но и частично интерпретировать верхнюю часть геологического разреза. Всё это позволяет в значительной мере познать новейшие геологические (неотектонические и гляциологические) процессы и- выявить пликативные, дизъюнктивные и инъективные дислокации в земной коре.

В' нашей стране исследованиям в Антарктиде придаётся огромное значение. Правительство РФ своим распоряжением от 30 октября 2010 г. № 1926-р утвердило "Стратегию развития деятельности Российской Федерации в Антарктике на период до 2020 года и на более отдалённую перспективу". В ней, в частности, указывается на связь международного престижа нашей страны и проведение ".масштабных . научных, природоохранных мероприятийсвязанных с деятельностью России в Антарктике". В завершающей части документа делается вывод о том, что "Проведение Российской Федерацией крупномасштабной научно-исследовательской деятельности в Антарктике является необходимым условием? для сохранения за Россией статуса Консультативной Стороны Договора об Антарктике и является основанием для участия в подготовке и принятии всех решений, касающихся управления этим регионом и реализации существующего там особого международно-правового режима". При этом в части направления научных работ, геолого-геофизические исследования стоят на первом месте. В данном документе определяется три этапа. Задачам первого (2010-2013 гг.) является "закрепление достигнутых позиций в деятельности Российской Федерации в Антарктике"; второго (2014-2020 гг.) "продолжение модернизации, технического перевооружения и реконструкции российской экспедиционной, транспортной и научной инфраструктуры . а также укрепление престижа государства", и, наконец, последнего; (20202030 гг.) - "обеспечение позиций Российской Федерации как одного из мировых лидеров исследований в Антарктике".

Настоящее исследование является продолжением? темы изучения подлёдного рельефа Антарктиды, начатой' автором» в- своей диссертационной работе на: соискание учёной степени; кандидата» географических наук, выполненной под руководством д.г-м:н, профессора. СПбГУ А.Н. Ласточкина. В настоящей работе подробно рассматривается сравнительно новый геофизический метод (в нашей* стране он начал использоваться около 50 лет назад): исследований полярных- районов нашей планеты - радиолокационное профилирование (РЛП) и обсуждаются вопросы интерпретации временных радиолокационных разрезов. На- основе; прежде всего, данных РЛП, рассматриваются методические особенности формирования гридов мощности ледникового покрова и коренного рельефа. Значительная часть работы посвящена обсуждению строения ледника (применительно к данным РЛП) и коренного рельефа наиболее важных и интересных районов индоокеанского сектора Восточной Антарктиды - её центральной части и району подледниковых озёр Восток и Пионерское.

Представляемая работа, выполнена преимущественно, по материалам ПМГРЭ, сотрудником которой автор является с 1992 г. На его счету 3 экспедиции в Арктику и 13 экспедиций в Антарктиду. Последние являлись предметом изучения районов, представленных в настоящей работе. Начиная с 2003 г., автор возглавляет радиолокационные исследования в районе подледникового озера Восток в составе санно-гусеничных походов (СГП). На его счету более 70 опубликованных статей в рецензируемых отечественных и иностранных журналах, а также около 80 докладов на отечественных и зарубежных форумах по проблемам, обсуждаемым в настоящей работе.

Цель работы заключается в выявлении особенностей строения ледника и коренного рельефа индоокеанского сектора Восточной Антарктиды, w в частности района подледникового озера, Восток. Главным* геофизическим методом исследования является радиолокационноепрофилирование.

Задачи исследования: (1) выяснение основополагающих вопросов формирования временных радиолокационных разрезов, для практического использования: с целью улучшения качества обработки* данных Р/1П; (2) выявление основных черт строения ледникового покрова и коренного рельефа районов подледникового озера Восток, и в целом индоокеанского сектора Восточной Антарктиды.

Фактический? материал и методы исследований; В основу диссертационной работы положены данные, полученные отечественными и зарубежными учёными за последние 50 лет в рамках двух международных проектов по исследованию ледникового покрова и коренного рельефа Антарктиды: BEDMAP и ABRIS. Часть материалов (по районам подледникового озера Восток и ледника Ламберта) получена при непосредственном участии г автора в ходе полевых работ, начиная с 1993 г. В процессе переобработки и I переосмысления данных, автором были разработаны методики и компьютерные программы, которые впоследствии легли в основу программного пакета обработки геофизических данных в ПМГРЭ.

1. Разработанная новая методика упрощённого моделирования распространения сферической электромагнитной волны в трёхмерном пространстве, состоящем, в общем случае, из трёх сред, имеющих произвольные характеристики, позволила ускорить процесс обработки данных в ходе выполнения полевых работ при сохранении достоверности выделения целевых границ.

2. Ледниковый покров в районе подледникового озера Восток (Восточная Антарктида) имеет слоистое строение и над акваторией озера Восток, в целом, находится в состоянии гидростатического равновесия.

3. Коренной рельеф- м> береговая линия озера Восток указывают на то, что озеро Восток является изолированным водоёмом и его водное тело целиком располагается в каменных берегах.

4. Коренной' рельеф* индоокеанского сектора Антарктики, построенный по современным данным, является основой^ для создания новой орографической схемы региона.

Научная новизна. Автором в рамках настоящей работы (1) впервые создана и реализована программно-математическая модель формирования временных радиолокационных разрезов на основе распространения сферической электромагнитной волны в трёхмерном пространстве для произвольной конфигурации поверхностей. На её основе выяснены условия успешного лоцирования подледниковых водоёмов, а также выработаны критерии интерпретации временных радиолокационных разрезов.

Достоинством- модели является её быстродействие и нетребовательность к ресурсам.компьютера, что позволяет её использовать при проведении полевых работ. Это, в.свою очередь, даёт возможность мобильно корректировать планы работ, что существенно, повышает их эффективность; (2) впервые построены, наиболее подробные и достоверные карты мощности ледникового покрова, подлёдного и коренного рельефа, а также геоморфологические (орографические) карты района подледникового озера Восток; (3) определена береговая линия подледникового озера Восток и выяснено, что озеро является замкнутым водоёмом, который полностью располагается в каменных берегах; (4) на основе обобщения всех доступных отечественных и зарубежных данных построены карты мощности ледникового покрова, подлёдного и коренного рельефа индоокеанского сектора Антарктики; выявлены, основные черты строения центральной части Восточной Антарктиды в ходе составления орографической карты.

Теоретическая и практическая значимость: (1) созданная автором программа формирования, временных радиолокационных разрезов^ является основой правильной интерпретации данных Р/1П. Её использованием позволяет наиболее верно, истолковывать полевой, материал; что, в свою очередь, позволяет избежать ошибок ещё на этапе проведения-полевых работ, а значит увеличить их эффективность и сократить затраты на их выполнение. (2) Эта разработка внедрена в практику производственных работ ПМГРЭ и на I протяжении более 10 лет с успехом- применяется, при обработки и интерпретации данных РЛП. (3) Выполненное обобщение данных по району подледникового озера Восток, в результате чего построен комплект карт геофизического содержания, является существенным шагом вперёд в изучении центральных районов. Антарктиды и подледниковых водоёмов, а также укрепляет научный авторитет нашей страны на международной арене. (4)

Определение береговой линии озера Восток и его изолированности от прочих подледниковых водоёмов является исключительно важным практическим результатом- проведённой работы. Он показывает, что предстоящее в самое ближайшее время проникновение в озеро Восток является абсолютно безопасным для антарктической экосистемы: даже в случае аварийной ситуации, когда произойдёт загрязнение озера, оно, в силу замкнутости, не затронет остальные подледниковые водоёмы. (5) Построение столь подробных и полных карт коренного рельефа и ледникового покрова индоокеанского сектора Восточной Антарктиды выполняется впервые. Кроме того, организация проекта ABRIS сама по себе имеет важное значение: (1) это большой проект, созданный в рамках МПГ, который, безусловно, поднимает значимость отечественной! науки; (2) в рамках проекта создаётся и пополняется база отечественных и зарубежных* данных по. ледниковому* покрову и коренному рельефу. Результаты диссертации могут быть использованы при геологических игляциологических.изысканиях.

Личный вклада автора. На протяжении ^ всей своей научно-производственной.деятельности автор, занимается, вопросами интерпретации данных РЛП. Результатом явилась, обсуждаемаяс в главе 2, математическая модель формирования временных радиолокационных разрезов, на основе которой построен граф обработки полевых материалов, существенно улучшивший качество их. интерпретации. Разделы работы по району озера Восток выполнены, преимущественно по материалам ПМГРЭ, сотрудником которой-автор является с 1992 г. На его счету 3 экспедиции в Арктику и 13 экспедиций в Антарктиду. Последние являлись предметом изучения районов, обсуждаемых в настоящей работе. Начиная с 2003 г. автор возглавляет радиолокационные исследования в центральных районах Восточной Антарктиды, и, в частности, в районе подледникового озера Восток, в составе наземных санно-гусеничных походов. Им выявлено около 60 антарктических подледниковых водоёмов. В период 1996 - 2000 гг. автор был представителем России в международном, проекте "Топография- коренного ложа Антарктики" (BEDMAP). В настоящий момент он является одним из организаторов проекта "Коренной рельеф и ледовый щит Антарктиды" (ABRIS). Автором создана и постоянно пополняется база антарктических данных по мощности ледникового покрова и высотам коренного рельефа. На её основе им построены наиболее современные карты мощности ледникового покрова, подлёдного и коренного рельефа на обширный район - индоокеанский сектор Антарктики, а также для районов гор Принс-Чарльз и подледникового озера Восток.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 63-х статьях, изданных в рецензируемых журналах на русском и английском языках. Основные положения работы докладывались в общей сложности на 52 симпозиумах, конференциях и научных совещаниях включая VII международный симпозиум по геофизическим исследованиям Антарктики (Сиена, Италия, 1995 г.); гляциологический симпозиум по -изучению Антарктики (Хобарт, Австралия, 1997 г.); 8-ю международную ассамблею по изучению- Антарктики (Уппсала, Финляндия, 1997 г.); международную конференцию, посвященную 300-летию горно-геологической службы России (С. Петербург, Россия, 2000 г.); международную конференцию, посвященную изучению полярных областей Земли (С. Петербург, Россия, 2001 г.); XIX - XXVI симпозиумы "Радиолокационное исследование природных сред" (С. Петербург, Россия, 2001-2009 гг.); геофизическую конференцию в Вашингтоне в 2001 г.; 7-й международный симпозиум по антарктической гляциологии (Милан, Италия, 2003 г.); 9-й и 10-й международные симпозиумы по антарктическим наукам о Земле (Потсдам, Германия, 2003 г.; Санта-Барбара, США, 2007 г.); ежегодные отечественные гляциологические симпозиумы и конференции МПГ в период 2000-2010 гг.; ежегодные совещания по изучению подледникового озера Восток в период 2002-2010 гг.; открытые научных конференции СКАР (С. Петербург, 2008 г.; Буэнос-Айрес, 2010 г.); международный симпозиум' по итогам МПГ (Осло, 2010 г.); XXX Пленум российской геоморфологической комиссии (С. Петербург, 2008 г.), а также два рабочих заседания международного проекта ВЕОМАР по картированию коренного рельефа Антарктики (Кембридж, Англия, 1997 и 1998 гг.). Разработана и внедрена в практику производственных работ ПМГРЭ методика обработки и интерпретации данных РЛП. Основные результаты исследований вошли в 18 производственных отчётов ПМГРЭ, а также в отчёты по Проектам ФЦП "Мировой Океан".

Автор искренне благодарит директора ФГУНПП ПМГРЭ В.Д. Крюкова и начальника Антарктической геофизической партии ПМГРЭ В.Н. Мосолова за многолетнюю поддержку, критические замечания и всестороннюю помощь не только при подготовке настоящей работы, но- и производственной деятельности в целом: Особую признательность автор выражает начальнику РАЭ В.В. Лукину, без чьих усилий и помощи были бы невозможны работы на озере Восток ив санно-гусеничных походах в Центральной «Антарктиде. Автор искренне благодарен своему научному консультанту, доктору геолого-минералогических наук профессору С.В. Аплонову за доброжелательное отношение и критические замечания, позволившие существенно улучшить качество настоящей работы. Автор считает своим долгом выразить признательность коллегам по работе - сотрудникам ПМГРЭ, РАЭ, ААНИИ, ВНИИОкеангеология, ИГ РАН и МГУ общение с которыми оказало значительное влияние на формирование автора как специалиста в своей области, а также за активное обсуждение результатов и смежных проблем. Неоценимая помощь была оказана сотрудниками РАЭ при выполнении полевых работ в центральной Антарктиде, при получении данных радиолокационного профилирования в научных санно-гусеничных походах. Автор выражает признательность и благодарность доктору геолого-минералогических наук профессору СПбГУ А.Н. Ласточкину, чьи, поистине обширные знания и опыт помогли в изучении геоморфологии. Автор благодарит Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) и подпрограмму "Изучение и исследование Антарктики" ФЦП "Мировой океан" за оказание финансовой поддержки исследований по многочисленным научным проектам, результаты которых вошли в настоящую диссертационную работу.