Isdekket under istidene har påvirket temperaturen i sedimentene under isen. Dette kan ha betydning for dannelse og migrasjon av hydrokarboner.
De siste 3,5 millioner år har våre områder vært preget av flere titalls istider. Disse istidene har på forskjellige måter hatt innvirkning på landskapet og på petroleumssystemene på norsk kontinentalsokkel.
Isdekkenes størrelse har variert over tid, og har ført til ulik grad av deformasjon av den elastiske litosfæren (glasial isostasi). Se:
Hvordan så Norge ut før istidene?
Istidene og glasial isostasi
Glasial isostasi kan ha hatt betydning for migrasjon av olje og gass. Isdekkene har i tillegg medført betydelig omfordeling av sedimentære bergarter i form av erosjon og avsetning. Både islasten og omfordeling av sedimentene medfører endring i spenninger som kan føre til oppsprekking i sedimentlagene og lekkasje av olje og gass. Glasial erosjon fører dessuten til endring av temperaturen i sedimentene.
Ytterligere en effekt av betydning for petroleumssystemene er knyttet til isbreenes innvirkning på temperaturen i sedimentene under isen. Dette er tema for denne artikkelen.
Kartlegging av temperaturhistorien er viktig for leting etter olje og gass; først og fremst fordi dannelse av hydrokarboner fra organisk materiale er en funksjon av temperatur og tid. Men temperaturen i sedimentene styrer også andre viktige prosesser, blant annet migrasjon og geokjemiske prosesser.
Med hensyn til termisk påvirkning, kan isbreer deles inn i to typer:
1) Kalde isbreer. Disse er delvis frosset til underlaget, og det er i fastfrosset område at breen eroderer mest (se figur 1 under).
2) Varme, eller tempererte, isbreer. Disse flyter ofte på et tynt vannlag som ligger over det faste underlaget.
Kalde isbreer kan føre til at sedimentene under isen er frosne i flere hundre meters dyp. Permafrosten vil endre det termiske regime i sedimentene både på grunn av endring av sedimentenes overflatetemperatur, og endring av sedimentenes evne til å lede varme (varmeledningsevnen).
Temperaturen i sedimentlagene styres av overflate-temperaturen, varme fra jordas mantel og sedimentenes varmeledningsevne. Sedimentenes overflate-temperatur vil svinge mellom noen få plussgrader under mellom-istider til temperatur lavere enn -15 °C under kalde isbreer.
I tillegg til å endre sedimentenes overflate-temperatur, vil permafrosten også endre varmeledningsevnen i sedimentene. Varmeledningsevnen til is er nemlig fire ganger så høy som varmeledningsevnen til vann. Og da sedimentene like under isen har høy porøsitet (høyt innhold av vann), vil det føre til betydelig høyere total varmeledningsevne i sedimentene (se figur 1 under).
Figur 1. Teoretisk varmeledningsevne i et snitt gjennom en sediment-lagpakke som er ca. 100 km langt, og hvor de dypeste sedimentene ligger på 12,5 km dyp (gul-grønn farge i venstre nedre del av profilet; se også Figur 2). De ulike fargene indikerer ulik varmeledningsevne i sedimentene. Varmeledningsevnen varierer som funksjon av sedimentenes mineralsammensetning og porøsitet. Jo høyere varmeledningsevnen er, desto bedre ledes varmen fra mantelen. Isen antas å ha vært fastfrosset i profilets høyre del; her er sedimentenes varmeledningsevne dobbelt så høy som for sedimenter som ikke er frosset. Fra Johansen et al. (1995).
Effekter ved termisk likevekt («steady state»)
Figur 2. Isbreens effekt på sedimentenes temperatur-regime – forårsaket av økt varmeledningsevne og redusert overflate-temperatur. Temperatur-effekten vises bare i sedimentene. Lys blå farge viser temperatur-effekt > 7,5 °C, mørkeste blå > 22,5 °C. Bunnen av sedimentene indikeres med en rødlig linje.
Både lavere overflate-temperatur og høyere varmeledning vil føre til endring i sedimentenes temperatur, og begge fører til avkjøling av sedimentene. Temperatur-effekten av de to nevnte faktorer er vist i figur 2 over; denne viser temperatur-forskjellen i sedimenter som er overlagret av en kald isbre og sedimenter som ikke er nediset. Effekten av isbreen er selvsagt størst i sedimentene like under isen, og på 1 km dyp er temperaturen 27 °C lavere enn i ikke-nediset tilfelle. Selv på 7,5 km dyp vil temperatur-effekten av den kalde isbreen være så mye som 10 °C.
Temperatur-effekten for tempererte isbreer er mye mindre; overflate-temperaturen under en temperert isbre er bare 5-7 °C lavere enn i mellom-istider.
Transiente effekter
Resultatene ovenfor forutsetter termisk likevekt, det vil si at det ikke tas hensyn til tiden det tar for å oppnå temperatur-effekten i sedimentene. For å finne ut hvor lang tid nedkjølingen tar, må vi gjøre transiente beregninger; det må da også tas hensyn til spesifikk varmekapasitet.
Som nevnt ovenfor, har det antakelig vært 30-40 istider over de siste 3,5 millioner år. Den siste millionen år var preget av store iskapper, og de kom og gikk med 100 000 års mellomrom.
På denne bakgrunn har vi foretatt beregninger av hva en serie med istider medfører av temperaturendring. Vi har i beregningene antatt at istidene startet 1,8 millioner år før nåtid, varte i 100 000 år og ble avbrutt av mellomistider med varighet på 100 000 år. Vi har beregnet effekten av 5 istids-perioder, og ser bare på effekten av redusert overflate-temperatur under istidene (og ikke av økt varmeledningsevne).
Figur 3. Teoretisk temperatur-effekt av fem istider og fem mellom-istider, over totalt 1,3 millioner år. Effekten vises i forskjellige dyp, fra en til fire km dyp. Det tas bare hensyn til redusert overflate-temperatur i sedimentene under istidene, og ikke til endring i varmeledningsevne. Temperaturen vises på vertikal-aksen (i oC), og alder på horisontal-aksen (i millioner år).
Figur 3 (over) viser temperatur-utviklingen på 1-4 km dyp forårsaket av fem istider og fem mellom-istider. Vi ser at temperatur-effekten av istidene varierer som funksjon av dypet. Nær overflaten vil temperatur-effekten svinge opp og ned som funksjon av overflate-temperaturens endringer, og det skjer ikke noe varig temperaturendring. Men dypere ned i sedimentene vil situasjonen være en annen; der vil nedisingene medføre en langtidseffekt.
Figur 4 (under) gir mer detaljer, her ser vi at temperatur-reduksjonene på 3 km dyp vil summere seg opp gjennom flere istider. Temperatur-reduksjonen etter én istid er ca. 3 °C, mens temperaturen etter 5 istider er blitt totalt redusert med 7 °C.
Effekten av hver istid vil stadig bli mindre; temperatur-endringen for istid nr 5 er bare halvparten så stor som for istid nr 1. For totalt 10 istider (som det har vært den siste millionen år) vil temperaturen på 3 km dyp i sedimentene bli redusert med 10-12 °C.
I tillegg kommer effekten av økt varmeledningsevne, som vil redusere temperaturen med ytterligere 10 °C.
Figur 4. Teoretisk temperatur-effekt av fem istider, på 3 km dyp i den sedimentære lagpakken. Det tas bare hensyn til redusert overflate-temperatur i sedimentene under istidene, og ikke endring i varmeledningsevnen. Temperaturen vises på vertikal-aksen (i oC), og alder på horisontal-aksen (i millioner år).
Konklusjon
Vi ser at istids-periodene ikke er lange nok til å kjøle ned sedimentene til likevekt, og periodene med mellom-istider ikke lange nok til å varme opp sedimentene til temperaturen de hadde før istidene startet. Dette betyr at det fremdeles er termisk ettervirkning i sedimentene som var nediset under siste istid (som jo sluttet for 10 000 år siden).
Det er ikke termisk likevekt i disse sedimentene idag; dette gjelder alle sedimenter som har vært overlagret av kalde isbreer under siste istid. Dette er ganske viktig å være oppmerksom på, da temperaturen som er observert i brønnhull brukes til kalibrering for ulike typer modellering.
Referanse
Johansen, H., Fjeldskaar, W. and Mykkeltveit, J., 1995. The influence of glaciation on the basin temperature regime. Global and Planetary Change 12, 437-448.
