ПОИСК ДРЕВНЕЙШЕГО ЛЬДА ДЛЯ ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ: НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЕРИФИКАЦИИ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ВЫБРАННЫХ ПУНКТОВ БУРЕНИЯ

свидетельствуют, что примерно 1 млн лет назад произошло изменение моды глобальных осцилляций климата, которое заключалось в переходе от 40-тысячелетней периодичности в смене ледниковых и межледниковых эпох к 100-тысячелетней с более амплитудными и продолжительными климатическими колебаниями. Причины, которые в середине плейстоцена привели к перестройке климатической системы планеты (в англоязычной литературе – Mid Pleistocene Transition – MPT), остаются неизвестными и обусловлены природой малоизученных обратных связей между климатом, криосферой и углеродным циклом. Одна из наиболее общепринятых гипотез объясняет MPT нелинейной реакцией ледниковых покровов на медленное продолжительное похолодание климата, вызванное постепенным понижением концентрации СО₂ в атмосфере Земли. Этой гипотезе противоречат данные исследований ледяного керна, полученного рамках проекта EPICA на Куполе С (Антарктида), которые показали, что, по крайней мере, в период 800–650 тыс. лет назад концентрация СО₂ была ниже, чем в последующую эпоху. С решением проблемы MPT в настоящее время связывают прогресс в понимании роли углеродного цикла в глобальных климатических изменениях. Необходимое условие для решения этой проблемы – получение количественных данных об изменении климата и газового состава атмосферы за последние 1,5–2 млн лет. Такие данные могут быть получены по ледяным кернам Восточной Антарктиды.

Координационный комитет программы Международное партнерство в изучении ледяных кернов (International Partnerships in Ice Core Sciences – IPICS), созданный под эгидой IGBP/PAGES и Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR) и состоящий из представителей 25 стран, назвал наиболее приоритетной на ближайшее десятилетие задачей – получение ледяного керна, который бы позволил реконструировать изменения климата и концентрации парниковых газов за последние 1,5 млн лет. Первый этап этого проекта, который стартовал в период МПГ (2007–2008 гг.), состоит в определении мест, перспективных для бурения с целью получения древнейшего на Земле льда.

В нашей работе предложен новый подход к решению проблемы верификации перспективности выбранных пунктов бурения для получения керна льда необходимого возраста с ненарушенной стратиграфией. Разработана принципиальная схема зонда, способного пройти антарктический ледниковый покров до основания в течение одного летнего полевого сезона, продолжительностью 2–2,5 мес. Зонд имеет встроенный лазерный анализатор, который по мере погружения снаряда измеряет основные характеристики льда, содержащие палеоклиматическую информацию, – изотопный состав (dD), концентрацию метана, а в перспективе – ряд других парниковых газов (CO₂, N₂O). Бурение скважины выполняется механическим и тепловым способами. Тепловая буровая коронка, разрушающая 10% объёма ледяной породы, расположена в 50 см ниже режущей коронки, что обеспечивает чистоту талой воды, которая используется для анализа. Расположенная выше режущая коронка разрушает оставшиеся 90% породы. Шлам, образующийся в результате резания льда, смешивается с буровым раствором, находящимся в скважине, и поднимается к устью скважины помпой, установленной на поверхности. На поверхности шлам отделяется от буровой жидкости, которая затем поступает обратно в скважину. Проектная скорость бурения составляет 1 мм с^-1. Внешний диаметр зонда – 100 мм, внутренний – 60–80 мм. Внутри зонда размещается лазерный анализатор, принцип действия которого основан на новейшей OFCEAS-технологии (Optical-Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy). Анализатор измеряет изотопный состав проходящих через него паров воды и концентрацию отделённых от воды газов каждые 10 с, что позволяет получать данные с достаточно высоким разрешением по глубине и возрасту льда. Точность измерения составляет 10^-9 для объёмной концентрации CH₄ и 1 ‰ для δD, что вполне достаточно для надёжной идентификации не только климатических переходов от ледниковых условий к межледниковым, но и более мелких климатических вариаций. Испытания зонда в полевых условиях планируется провести в летние антарктические сезоны 2015/16 и 2016/17 гг.

1. Alemany O., Mityar H. Viscosity and density of a two phase drilling fluid. Annals of Glaciology. 2007, 47: 141–146.

2. Berger A., Loutre M.-F. Insolation values for the climate of the last 10 million Years. Quaternary Science Reviews. 1991, 10: 297–317.

3. Berger A., Li X.S., Loutre M.F. Modelling northern hemisphere ice volume over the last 3 Ma. Quaternary Science Reviews. 1999, 18: 1–11.

4. Bintanja R., van de Wal R. S. W., Oerlemans J. Modelled atmospheric temperatures and global sea levels over the past million years. Nature. 2005, 437: 125–128.

5. Chappellaz J., Brook E., Blunier T., Malaizé B. CH4 and δ18O of O2 records from Greenland ice: A clue for stratigraphic disturbance in the bottom part of the Greenland Ice Core Project and the Greenland Ice Sheet Project 2 ice cores. Journ. of Geophys. Research. 1997, 102: 26547–26557.

6. Clark P.U., Archer D., Pollard D., Blum J.D., Rial J.A., Brovkin V., Mix A.C., Pisias N.G., Roy M. The middle Pleistocene transition: characteristics, mechanisms and implications for long-term changes in atmospheric pCO2. Quaternary Science Reviews. 2006, 25: 3150–3184.

7. Engel G.S., Drisdell W.S., Keutsch F.N., Moyer E.J., Anderson J.G. Ultrasensitive near-infrared integrated cavity output spectroscopy technique for detection of CO at 1.57 μm: new sensitivity limits for absorption measurements in passive optical cavities. Applied Optics. 2006, 45: 9221–9229.

8. EPICA Community Members One-to-one coupling of glacial climate variability in Greenland and Antarctica. Nature. 2006, 444: 195–198.

9. Hönisch B., Hemming N.G., Archer D., Siddall M., McManus J.F. Atmospheric carbon dioxide concentration across the Mid-Pleistocene transition. Science. 2009, 324: 1551–1554.

10. Iannone R.Q., Kassi S., Jost H.-J., Chenevier M., Romanini D., Meijer H.A.J., Dhaniyala S., Snels M., Kerstel E.R.T. Development and airborne operation of a compact water isotope ratio spectrometer. Isotop. Environm. Health Studies. 2009, 45: 303–320.

11. Jouzel J., Masson-Delmotte V., Cattani O., Dreyfus G., Falourd S., Hoffman G., Minster B., Nouet J., Barnola J.M., Chappellaz J., Fisher H., Gallet J.C., Johnsen S., Leuenberger M., LouLergue L., Lüthi D., Oerter H., Parrenin F., Raisbeck G., Raynaud D., Schilt A., Schwander J., Selmo E., Souchez R., Spahni R., Stauffer B., Steffensen J.P., Stenni B., Stocker T.F., Tison J.L., Werner M., Wolff E.W. Orbital and millenial antarctic climate variability over the past 800000 years. Science. 2007, 317: 793–796.

12. Jouzel J., Masson-Delmotte V. Deep ice cores: the need for going back in time. Quaternary Science Reviews. 2010, 29: 3683–3689.

13. Kawamura K., Nakazawa T., Aoki S., Sugarawa S., Fujii Y., Watanabe O. Atmospheric CO2 variations over the last three glacial-interglacial climatic cycles deduced from the Dome Fuji deep ice core, Antarctica using a wet extraction technique. Tellus. 2003, 55: 126–137.

14. Kerstel E.R.T. Isotope Ratio Infrared Spectrometry (Chapter 34). Handbook of Stable Isotope Analytical Techniques. Еd. de P.A. Groot. Elsevier, 2004: 759–787.

15. Kerstel E.R.T., Iannone R.Q., Chenevier M., Kassi S., Jost H.-J., Romanini D. A water isotope (2H, 17O, and 18O) spectrometer based on optical-feedback cavity enhanced absorption for in-situ airborne applications. Applied Physics. 2007, 85: 397–406.

16. Lisiecki L.E., Raymo M.E. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records. Paleoceanography. 2005, 20. doi:10.1029/2004PA001071.

17. Loulergue L., Schilt A., Spahni R., Masson-Delmotte V., Blunier T., Lemieux B., Barnola J.M., Raynaud D., Stocker T.F., Chappellaz J. Orbital and millennial-scale features of atmospheric CH4 over the past 800,000 years. Nature. 2008, 453: 383–386.

18. Lüthi D., Lefloch M., Bereiter B., Blunier T., Barnola J.M., Siegenthaler U., Raynaud D., Jouzel J., Fischer H., Kawamura K., Stocker T.F. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000-800,000 years before present. Nature. 2008, 453: 379–382.

19. Morville J., Romanini D., Chenevier M. Dispositif à laser couplé à une cavité optique par rétroaction optique pour la détection de traces de gaz (in French). Patent n° PCT/ 2 830 617. Université Joseph Fourier 2003. Grenoble, France.

20. NorthGRIP Project Members High resolution record of Northern Hemisphere climate extending into the last interglacial period. Nature. 2004, 431: 147–151.

21. Parrenin F., Paillard D. Amplitude and phase of glacial cycles from a conceptual model. Earth Planetary Science Letteres. 2003, 214: 243–250.

22. Petit J.-R., Jouzel J., Raynaud D., Barkov N.I., Barnola J.M., Basile I., Bender M., Chappellaz J., Davis M., Delaygue G., Delmotte M., Kotlyakov V.M., Legrand M., Lipenkov V.Y., Lorius C., Pépin L., Ritz C., Saltzman E., Stievenard M. Climate and atmospheric history of the past 420000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature. 1999, 399: 429–436.

23. Raymo M.E., Liesicki L.E., Nisancioglu K. Plio-Pleistocene ice volume, Antarctic climate and the global δ18O record. Science. 2006, 313: 492–495.

24. Suto Y., Saito S., Osada K.I., Takahashi H., Motoyama H., Fujii Y., Tanaka Y. Laboratory experiments and thermal calculations for the development of a next-generation glacier-ice exploration system: Development of an electro-thermal drilling device. Polar Science. 2008, 2: 15–26.

25. Talalay P.G., Gundestrup N.S. Hole fluids for deep ice core drilling: a review. University of Copenhagen Report. Copenhagen, 1999: 120 p.

26. Tziperman E., Gildor H. On the mid Pleistocene transition to 100 kyr glacial cycles and the asymmetry between glaciation and deglaciation times. Paleoceanography. 2003, 18; doi:2001PA000627.

27. Vimeux F., Masson V., Jouzel J., Stievenard M., Petit J.R. Glacial-interglacial changes in ocean surface conditions in the Southern Hemisphere. Nature. 1999, 398: 410–413.