Гидридное происхождение многолетней мерзлоты

Промерзание четверти суши на Земле на глубину более полукилометра могло быть вызвано эндогенным разложением гидридов Сибирского плюма,

вероятно, возникшего в результате астероидного импакта и эффекта рикошета.

Актуальной проблемой физической географии, геологии и геохимии является выявление природных процессов, способных приводить к формированию на нашей планете многолетнемёрзлых пород (ММП), образующих подземный сегмент её криолитосферы. Поток тепла, поступающий из земных недр в кору, зависит от интенсивности его генерации всеми существующими в них источниками, один из которых – реакции образования гидридов в мантии. Интенсивности этих потоков повышены в районах мантийных плюмов и отличались на разных этапах геологической истории.

Общая площадь земной поверхности, под которой в современном периоде встречается многолетняя мерзлота, не менее 35 млн км², что составляет около 23,3 процента суши. Она распространяется на максимальную исследованную глубину до 1370 метров в районе Вилюйска. ММП обнаружены не только на суше, но и на шельфах морей Северного Ледовитого и Южного океанов, образуя, совместно с поверхностным оледенением, криолитосферу нашей планеты. Очевидно, что такое глубинное промерзание почвы не могло быть вызвано событиями на поверхности Земли, поскольку тепло из грунта может уходить лишь через теплопередачу, а теплоёмкость льда и почвы препятствует распространению мерзлоты с поверхности на большую глубину. Кроме того, внутренняя энергия планеты прогревает земную кору в среднем до 10–20°С на глубине одного километра.

Что известно о многолетней мерзлоте?

Термин «вечная мерзлота», впервые произнесённый в 1879 году Петром Кропоткиным, был введён в научный оборот в 1927 году Михаилом Сумгиным.

Многолетнемёрзлые породы (ММП) – это cцементированные льдом мёрзлые грунты почвы и горные породы, в течение более двух лет имеющие круглый год температуру ниже 0°С. Первые метры от поверхности земли занимает деятельный слой. Это слой почв и пород, которые оттаивают в тёплое время года, а в холодное – вновь промерзают. Деятельный слой сменяется толщами вечномёрзлых пород. Однако во многих районах ММП прерывисты или встречаются спорадически, а грунтовые воды под ними преимущественно находятся в виде льда. Соответственно, область многолетней мерзлоты составляет приблизительно 14 млн км² (15 процентов от открытой поверхности суши в Северном полушарии). Распространение мерзлоты охватывает север Америки, Европы, Азии, острова и шельфы Северного Ледовитого океана. Она также встречается в высокогорных регионах Тибета и Скалистых гор и на дне Северного Ледовитого океана в виде подводной многолетней мерзлоты. В Южном полушарии ММП встречаются реже – в горных регионах, таких как южноамериканские Анды и новозеландские Южные Альпы, а также под Антарктидой.

Отметим, что в России площадь вечной мерзлоты составляет примерно 11 115 000 км², то есть около двух третей её территории.

Исследования показали, что при оттаивании высокольдистых отложений и залежей подземных льдов, особенно в тёплый период оптимума голоцена около 4–8 тысяч лет назад, на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах с поверхности образовалась толща талых пород глубиной в несколько десятков метров. Однако ниже сохранилась реликтовая мерзлота мощностью от 20 до 500 метров. Эти структуры были впервые описаны в 1957 году профессором Алексеем Земцовым в Западной Сибири.

В 1999 году была создана Глобальная сеть мониторинга криолитозоны (GTN-P) в рамках Глобальной системы наблюдения за климатом и Глобальной системы наблюдения за сушей Всемирной метеорологической организации. К началу 2000‑х годов в большинстве регионов, где проводились замеры, зафиксировано повышение температуры на 0,5–3°C. В мае 2023 года в Салехарде уже открылся первый пункт государственной системы мониторинга многолетней мерзлоты и была составлена геокриологическая карта, а всего в рамках программы к концу 2026 года планируется развернуть сеть из 140 пунктов.

В Северном полушарии южная граница сплошной вечной мерзлоты традиционно определяется среднегодовой изотермой –8°C, что соответствует температуре грунта от менее –1°C до –15°C. Мощность толщи многолетнемёрзлых пород изменяется от 300 до 500 метров и более, в горах – до 1500 метров; температуры – от –2°C до –10°С и ниже. Средняя температура многолетнемёрзлых пород, расположенных к северу от намеченной линии, составляет –9°С, средняя глубина ‒ около 400 метров. Рекордная глубина вечной мерзлоты, 1370 метра, была зафиксирована в феврале 1982 года в Якутии.

Расчет поглощённой энергии для возникновения реликтовой мерзлоты

Объём слоев массивного подземного льда при средней толщине 400 метров составляет около 5,6 млн км³. Поглощённая энергия для образования реликтовой мерзлоты, при её средней температуре –9°С, удельной теплоёмкости льда 2800 Дж/(кг•°C) и энергии образования льда 0,34 МДж/кг, оценивается величиной 1,87•10²⁴ [Дж], что сопоставимо с энергией извержения супервулкана Парана–Этендека в Южной Атлантике, которая приблизительно составляла 1,98•10²⁴ [Дж].

Полученные данные, вероятно, являются нижней границей оценки глубинного процесса поглощения энергии в момент катастрофического события, так как за время, прошедшее с эпохи последнего ледникового периода, объём многолетней мерзлоты значительно сократился.

В толщах вечной мерзлоты иногда встречаются зоны, которые сложены талыми породами. Эти участки называются «таликами». Они образуются под крупными реками и озёрами, в трещинах, где циркулируют подземные воды. Скрытые талики представляют большую опасность для объектов инфраструктуры.

Структура пород многолетней мерзлоты

В Якутском институте мерзлотоведения в шахте на 12‑метровой глубине свисают корни растений, которые цвели и пахли тысячи лет назад, до образования мерзлоты. Там же представлена смолёвка узкая древолистная, которую учёные прорастили из семечка, пролежавшего в мерзлоте 30000 лет. Вымершие растения из криолитозоны вернуть в современный мир куда реальнее, чем вымерших животных, поскольку за это время изменились внешние условия среды их обитания.

Стена термокарстового оврага деятельного (приповерхностного) слоя многолетней мерзлоты

Останки флоры и фауны в мерзлоте говорят о том, что процесс их замерзания происходил за минуты. Ведь чтобы мамонт погиб при сверхнизкой температуре нужно минимум 30 минут, но не более 1,5 часов, за которые пища могла бы перевариться и потерять форму в желудке мамонта, где, в частности, были найдены остатки непереваренных цветков гладиолуса. Из этого можно сделать вывод, что процесс заморозки на поверхности происходил быстро и катастрофично. Во многих местах туши животных находятся вперемешку со стволами деревьев и почвой, что может свидетельствовать и о гигантской волне типа цунами, впоследствии замёрзшей.

По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, в замороженных запасах органики в мерзлоте около 1600 миллиардов тонн углерода – больше, чем во всех тропических лесах и разведанных запасах нефти! При глобальном таянии реликтовой мерзлоты миллионы «отдохнувших» и голодных бактерий набросятся на гигантское количество размороженной пищи, что представляет серьёзную угрозу.

Возможные причины появления многолетней мерзлоты:

1. Снос части атмосферы космическим телом или метеоритным потоком

При таком воздействии происходит падение давления и охлаждение остатков воздуха и поверхности. Но если мало воздуха, то существенно уменьшается теплопередача через разреженную атмосферу, а поверхность сможет отдавать тепло лишь ИК-излучением, что происходит при любом давлении. Поскольку теплоёмкость грунта и льда, равная 2,23 [Вт/м•К], на несколько порядков выше теплоёмкости разреженного холодного воздуха, почва не сможет передать атмосфере значительную часть тепла. Учитывая, что атмосферное давление не может быть низким долгое время и через непродолжительный период нормализуется, эту гипотезу образования мерзлоты можно считать несостоятельной.

2. Гидратная гипотеза

Газовые гидраты – твёрдые кристаллические соединения, в которых молекула метана заключена в молекулы воды, образующиеся при давлениях до 10–30 МПа, при температуре +20–25°С из водного раствора, льда, водяных паров и низкомолекулярных газов. По внешнему виду напоминают лёд или снег. Единичный объём метангидрата содержит до 160–180 объёмов чистого газа, а его плотность около 900 кг/м³, что ниже плотности воды и льда.

Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа. Для них характерна аномально низкая теплопроводность, которая при 0°С в пять раз ниже, чем у льда.

Запасы метангидратов огромны – на суше 3,4•10¹⁶ м³ и в океане 3,4•10¹⁸ м³. При повышении температуры и уменьшении давления гидрат разлагается на газ и воду с поглощением большого количества теплоты (53,32 кДж/моль), но поскольку метангидраты теряют стабильность при давлении менее 25 бар, процессы их разложения могут идти только в приповерхностной зоне. Они не способны проморозить слои почвы глубже 100 метров, где метангидраты уже находятся в стабильном состоянии, поэтому их роль в образовании ММП не является определяющей, а может носить только поддерживающий характер.

Как видно, гипотеза образования реликтовой мерзлоты метангидратами тоже несостоятельна, поскольку они разлагаются с поглощением тепла в почве, на глубине менее 100 метров.

3. Многолетняя мерзлота образована давлением ледника

Очевидно, что по мере роста ледника породы, расположенные под его ложем, испытывают всё увеличивающееся давление. При сжатии вещества действующие на него извне силы давления совершают механическую работу и увеличивают тем самым внутреннюю энергию тела, если не происходит теплообмена с окружающей средой. В конденсированных фазах (жидкостях, твёрдых телах) различают упругую и тепловую составляющие. Первая, называемая «холодным» давлением, связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма тела, а вторая – с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. Упругая нагрузка на тело вызывает не только обратимые изменения его размеров и формы, но и изменение характеристик внутренней атомно-молекулярной динамики тела. Так, имеет место термоупругий эффект (эффект Джоуля) – изменение температуры адиабатически нагружаемых упругих тел.

При толщине ледника в 100 метров на каждый квадратный метр будет давить почти 91,67 тонны его массы. А на глубине в 100 метров под поверхностью земли породы будут сжаты ещё на высоту столба гранита – 270 т/м² – и будут испытывать суммарное давление 361,6 т/м². Таким образом, если бы ледник растаял мгновенно, разница давлений в 91,67 т/м² могла привести к падению температуры породы.

Несостоятельность этой гипотезы очевидна, так как даже стометровый ледник тает постепенно, оставляя при этом значительное количество талой воды. Соответственно, медленное снятие давления ледника и просачивание талых вод не может привести к образованию на глубине 100 метров и более многолетней мерзлоты.

4. Гипотеза образования мерзлоты при растворении солей

Рассмотрим ещё один эндотермический процесс, при котором происходит стремительное снижение температуры, – смешивание солёной воды с пресной, или растворение соли в воде. В природе примером такого явления может быть так называемый «ледяной палец смерти», при котором более солёная вода стекает в море и, как более плотная, опускается на дно, по пути смешиваясь с более пресной, и этот поток замерзает, так как понижается его температура.

Предположим, что в процессе геотектонической катастрофы (столкновение с крупным космическим телом или при кувырке Земли, аналогично эффекту Джанибекова), во времена глобального вымирания мамонтов и шерстистых носорогов, произошёл массовый выход ювенильных вод и водогрязевых потоков из недр. Во многих местах вода проходила через солевые слои, что приводило к падению её температуры. На поверхности вода замёрзла почти мгновенно. Вероятно, при интенсификации водородной дегазации в литосферу из недр поднялись потоки флюидов, привнеся с собой гидриды или соли, которые при эндотермическом разложении отобрали тепло из верхних слоев коры, образовав реликтовую мерзлоту. Процесс на поверхности происходил достаточно быстро, так что мамонты замёрзли в течении от 0,5 до 2 часов, с остатками непереваренной пищи в желудках. Но против гипотезы солёного происхождения ММП говорит факт пресного состава почв и льда мерзлоты.

5. Гидридная гипотеза ММП

Образование пластов массивного подземного льда могло быть вызвано эндогенным разложением гидридов. Дегидрирование – это процесс, при котором соединения элементов с водородом разлагаются с выделением первородного газа и поглощением тепла из окружающей среды.

Рождение и развитие мантийного плюма в направлении поверхности планеты обусловлено не столько тепловой конвекцией, сколько термохимическими реакциями во флюидной смеси, продукты которых являются более легкоплавкими, чем породы мантии. Когда голова плюма достигает тугоплавкого слоя литосферы, плюм растекается по его подошве. Над плюмовым каналом при этом начинает формироваться вторичный плюм.

Академик Н. Л. Добрецов полагал: «К геохимическим признакам глубинности плюмов относится изотопия гелия. В породах океанических плюмов (например, Гавайского и Исландского) обнаруживается большая доля изотопа 3He, который является продуктом водородного термоядерного синтеза. Отношение 3He/4He в этих породах в десятки раз выше, нежели в базальтах срединноокеанических хребтов, генерирующихся из верхней мантии в ходе тепловой конвекции. Очевидно, «избыточное» количество 3He поступает в плюмовый канал из слоя D” или из внешнего ядра».

Согласно модели академика Н. Л. Добрецова, термохимические плюмы представляют собой своеобразную «газовую горелку». Снижение температуры плавления на границе ядро – нижняя мантия достигается за счёт химической добавки «летучего» компонента. Можно предположить, что главными добавками, понижающими температуру плавления, являются водородные и углеродные соединения, выделяющиеся из металлического ядра (гидриды металлов, карбиды и элементарный водород). При их реакции в мантии с железосодержащими окислами образующиеся оксиды CO₂ и H₂O формируют восходящий поток водорода и гидридов, а восстановленное до металлического состояния железо стекает в жидкое ядро.

Мерзлота образована давлением плюма в результате удара астероида

Наша гипотеза предполагает, что причиной возникновения многолетней мерзлоты является Сибирский мантийный плюм, который из-за твёрдых пород в литосфере не нашёл выход на поверхность.

Сибирский плюм образовался достаточно давно и представляет собой цилиндрическое образование в мантии, простирающееся от слоя D” на границе внешнего ядра и мантии Земли до литосферы, около 2000 км в диаметре. Структура плюма представлена на вышеприведённом рисунке и описана в работах академика Н.Л. Добрецова. Объём Сибирского плюма составляет примерно 9,3•10¹⁵ км³ при температуре в глубине до 1600°C.

Объёмная концентрация водорода в плюмах значительно выше, чем в среднем по мантии, поэтому входящие в состав плюма элементы образуют соответствующие гидриды, при этом объём вещества уменьшается в среднем на 30 процентов. При разложении 1 моля гидрида некоторого элемента поглощается тепло в количестве, указанном в табл. 1. Поэтому общее количество тепла (Q_окт), которое может поглотиться при разложении всех гидридов, содержащихся в объёме рассматриваемого плюма, вычисляется по формуле: Q_окт = Σ (М_k•Q_k)

Предположительно, удар астероида диаметром 60 км в противоположную точку нашей планеты в районе Антарктиды образовал кратер Земли Уилкса (диаметром 500 км) и, благодаря эффекту рикошета, активировал Сибирский плюм. Если принять железно-никелевую природу космического тела (с плотностью 7,72 т/м³ ), перемещавшегося со скоростью порядка 70 км/с, то энергия импакта составила бы 2,14•10²⁴ [Дж].

Резкое увеличение давления на литосферную плиту, возникшее в результате мощных сейсмических волн импакта и последовавшей активизации плюмового процесса, аналогично эффекту рикошета, не привело к образованию вулкана, и лава не нашла выход на поверхность. В таком скоротечном процессе после увеличения давления обычно наступает и обратный эффект – «отдача». Известно, что изменение температуры при упругом деформировании твёрдых тел в реальном диапазоне задаваемых напряжений до ∼ 1–2 ГПа является малым, но в жидкостях и особенно в газовых карманах этот эффект значителен и подчиняется закону Шарля. Поэтому при прекращении давления на Сибирскую литосферную плиту резко упала температура на нижней границе плиты в месте соприкосновения с плюмом, что и привело к промерзанию пород, включающих газо-водяные фракции, на глубине около 1500 метров и выше до поверхности Земли. Цунами на поверхности планеты, возникшие в сейсмической зоне над грибовидной кровлей плюма (более двух радиусов плюма, растёкшегося под литосферной плитой), замёрзли вместе с переносимыми ими останками флоры и фауны. Дальнейшая дегазация пород плюма, содержащего в обилии гидриды, привела к их эндогенному распаду, что усугубило картину распространения мерзлоты изнутри пород на большую площадь.

Следует учитывать, что на Кольской сверхглубокой скважине температура до 3 км менялась со скоростью 10°С/км, соответственно, на глубине 1370 м температура должна была быть около +14°С при среднем тепловом потоке недр 0,03–0,05 Вт/м² или 350 Вт•ч/м² в год. Поэтому процессы прогревания пород за счёт внутренней энергии Земли частично растопили самые глубинные слои мерзлоты. Но поскольку мы сейчас фиксируем наличие мёрзлых пород по крайней мере на глубине 1370 метров, то это катастрофическое импактное событие произошло относительно недавно, иначе внутреннее тепло земных недр растопило бы глубинную мерзлоту.

Если предположить, что ММП образованы отрицательным давлением плюма на литосферную плиту, то работу, необходимую для этого, можно оценить с помощью закона Бернулли:

А = Р•S_рл• h_срл = –1,54•10²⁴ [Дж]

Остальная энергия E = Q_рл – A = –3,32•10²³ [Дж] должна была быть поглощена при распаде гидридов.

Гидридная гипотеза предполагает, что происхождение многолетней мерзлоты произошло за короткое время при промерзании газо-водяных карманов почвы в результате поглощения тепла при распаде гидридов и при отрицательном давлении верхней кромки Сибирского плюма, вызванном отдачей после эффекта рикошета при падении астероида в районе Антарктиды. Это катастрофическое сейсмическое событие вызвало подъём литосферы под Сибирью и Аляской на десятки метров, с последующим резким движением вниз, что привело к возникновению гигантских волн, накрывших огромную территорию и замёрзших вместе со всем, что было на поверхности.

Авторы выражают искреннюю благодарность профессору, доктору географических наук, действительному члену Крымской Академии наук Александру Вадимовичу Холопцеву за плодотворное сотрудничество и проверку основных результатов, изложенных в статье.

Источник: НИР №2, 2026

Игорь ДАБАХОВ, Сергей КАЛУГИН