С первых дней планомерного исследования Антарктики в период МГГ начались гравиметрические работы. Изучение гравитационного поля представляет большой интерес, поскольку оно может рассказать об особенностях строения коренных пород, скрытых под толстым слоем льда, и крупных тектонических нарушениях в них типа разломов и сбросов, о мощности ледового покрова и рельефе коренных пород, на которых залегает лед, толщине земной коры под Антарктидой, рельефе так называемой границы Мохоровичича, особенностях строения земной коры в областях перехода от континента к океану, влиянии ледовой нагрузки на положение поверхности Мохоровичича и уравновешенности этой нагрузки, т. е. об изостатическом состоянии Антарктиды.

Как известно, аномалии гравитационного поля, т. е. отклонения его от некоторого правильного закономерного изменения, зависят от распределения плотностей в Земле. Поэтому по аномалиям можно судить об этом распределении. Там, где резко изменяется плотность, где плотные породы подходят ближе к поверхности или, наоборот, удаляются от нее, возникают соответственно положительные или отрицательные аномалии силы тяжести. Быстро изменяющиеся по поверхности аномалии говорят о неглубоко расположенных изменениях плотностей, а протяженные, даже небольшие по величине аномалии свидетельствуют о наличии протяженных, глубоко залегающих масс.

Поскольку плотность льда (0,9 г/см3) сильно отличается от плотности коренных пород (2,6–2,8 г/см3), на которых он залегает, в местах, где эти коренные породы подходят близко к поверхности, а слой льда тонкий, возникают положительные аномалии силы тяжести и, наоборот, где коренные породы лежат глубоко и слой льда толстый, аномалии будут отрицательные. Такая же закономерность характерна и для границы Мохо, где плотность изменяется от 2,7–2,9 до 3,2–3,3 г/см3. Но эти изменения происходят на больших глубинах, массы, вызывающие аномалии, имеют большое протяжение, и аномалии тоже протяженные, региональные. Метод гравиметрического определения глубин залегания является относительным, и с его помощью мы можем определить, например, толщину льда в каком-то месте относительно другого, где она известна. Геофизическим методом, дающим абсолютные глубины залегания, является метод сейсмической разведки. Получив такие данные в нескольких местах сейсмическим методом и зная для этих мест величину аномалий силы тяжести, выводят формулы, по которым можно рассчитать толщину льда и земной коры только по гравиметрическим данным. Поэтому гравиметрическая съемка в Антарктиде играет очень важную роль. Она помогает изучать общее строение материка, крупные геологические структуры и искать полезные ископаемые.

Рис. 7. Усредненная гравиметрическая карта Антарктики

Изучение гравитационных аномалий позволяет решить, например, такую задачу: находится ли шельфовый ледник на плаву или лежит на грунте. Именно гравиметрия показала, что открытая в 1960 г. на шельфовом леднике советская антарктическая станция Лазарев расположена в опасном месте. Ледник здесь находится на плаву, и не исключена возможность катастрофы. Станция была перенесена на новое, безопасное, место и получила название Новолазаревская. Поле аномалий силы тяжести представляется обычно в виде гравиметрических карт, на которых аномалии силы тяжести показаны или непрерывными линиями, так называемыми изоаномалами, или подписями в точках наблюдений, или усредненными значениями в некоторых, стандартных по величине площадках. Генеральная гравиметрическая карта масштаба 1:5 000 000 была составлена д-ром техн. наук Н. Б. Сажиной. Трудные условия работ в Антарктиде не позволяют выполнить там сплошную, хотя бы по редкой сети, гравиметрическую съемку. Поэтому на карте остается много пустых мест – «белых пятен». Чтобы получить приблизительное представление об аномальном гравитационном поле всего континента, составлена карта средних аномалий силы тяжести (рис. 7). Большой интерес представляет также карта высот геоида в Антарктиде, характеризующая фигуру Земли для этой области. Фигура Земли представляется поверхностью, совпадающей с поверхностью воды в океанах и продолженной под континенты так, чтобы силовые линии гравитационного поля были всюду перпендикулярны к ней. Это неправильная, не математическая поверхность, и чтобы ее получить, используют эллипсоид, равновеликий по объему Земле, и от него отсчитывают высоты геоида. На рис. 8 показана карта геоида для Антарктики, построенная в 1985 г. по аномалиям силы тяжести и данным наблюдений искусственных спутников Земли (по А. Сегава).

Рис. 8. Карта геоида Антарктики

Антарктида не всегда была покрыта льдом. Давным-давно, 300 млн. лет назад, в каменноугольный, юрский и меловой периоды она являлась составной частью единого материка Пангеи с жарким климатом и пышной растительностью. Об этом свидетельствуют мощные пласты каменного угля, обнаруженные в горах Принца Альберта, на Земле Виктории, на Земле Королевы Мод, в Трансантарктических горах – горах Хорлик, на берегу Георга V вблизи советской станции Ленинградская, на Земле Мак-Робертсона, в горах Теран, вблизи побережья моря Уэдделла. По оценкам геологов, в частности известного американского геолога доктора Л. Гулда, запасы каменного угля Антарктиды больше суммарных запасов всех остальных континентов.

Оставим это утверждение на совести Гулда, нам оно кажется некоторым преувеличением, но, во всяком случае, оно свидетельствует о том, что Антарктида переживала и более счастливые теплые времена расцвета пышной растительности и древнего животного мира. По дебрям лесов из древовидных папоротников бродили гигантские ящеры. В пластах каменноугольного периода найдены окаменелые останки ящера листозавра, обитавшего и в других частях Гондваны – в Индии и Южной Африке.

Почему произошло оледенение Антарктиды и когда?

Антарктида подвергалась общим для Земли оледенениям, одна из причин которых – прохождение Солнечной системы через пылевое облако, поглощающее часть идущих к Земле живительных солнечных лучей. Кроме того, оледенение произошло вследствие распада Пангеи и движения Гондванской плиты к Южному полюсу, т. е. к вечно холодным областям Земли. Возможно, что и само перемещение полюса Земли, а таковое тоже имеет место, приближало Антарктическую плиту к холодным областям планеты.

Полюс Земли, так же как и магнитный полюс, не занимает постоянного места, а имеет сложный спектр движений.

Земля представляет собой гироскоп, и ось ее, как и ось всякого гироскопа, испытывает прецессионное движение, т. е. описывает конус. Период прецесии Земли 26 000 лет. Кроме того, земная ось совершает короткопериодические движения, отклоняясь от поверхности конуса, – это так называемая нутация. Период земной нутации равен 18,6 лет. Соответственно периодически изменяются широты и долготы места. Помимо этих периодических движений, по-видимому, мало влияющих на климат планеты, существуют и непериодические, так называемые вековые движения полюса, зависящие от перераспределения масс в Земле, перемещения ее ядра и т. п. Эти движения также могут определять периоды оледенений и потеплений.

Если исходить из гипотезы горячего происхождения Солнечной системы, тем более кажется вероятным, что был период, когда на всей Земле, включая полярные области, царил жаркий климат, постепенно холодеющий с общим охлаждением всей Земли. Последнее оледенение Антарктиды наступило около 10 млн. лет назад. Это оледенение сохранилось постоянным до наших дней. С конца третичного периода Антарктида не испытывала больших потеплений и остается покрытой льдом.