CC BY
3УДК 551.583:551.468
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗОНЫ СТАБИЛЬНОСТИ МЕТАНГИДРАТОВ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА С УЧЕТОМ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
И Малахова В. В.
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск, Россия
E-mail: [email protected]
В работе проведен анализ состояния зоны стабильности метангидратов арктического шельфа на основе численного моделирования. Получены оценки площади распространения и мощности зоны стабильности метангидратов с учетом данных интенсивности теплового потока, солености и температуры донных отложений, а также формирования многолетнемерзлых пород в периоды регрессии моря. Выполнена оценка влияния современного и возможного будущего потепления климата до конца XXIII в. на состояние зоны стабильности. В качестве граничных условий учитывалась температура придонной воды, полученная в результате расчетов по моделям ансамбля CMIP6.
Ключевые слова: газовые гидраты, метан, зона стабильности гидратов, подводная мерзлота, шельф Арктики.
NUMERICAL MODELING THE METHANE HYDRATE STABILITY ZONE OF THE ARCTIC SHELF ACCOUNTING FOR PERMAFROST FORMATION
И Malakhova V. V.
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, Novosibirsk, Russia
The work analyzes the state of the methane hydrate stability zone of the Arctic shelf using numerical modeling. Estimates of the area of spreading and the thickness of the methane hydrate stability zone were obtained, based on the data of heat flux intensity, salinity and temperature of bottom sediments and permafrost formation. The influence of the current and possible future climate warming up to the end of the 23rd century on the state of the stability zone has been assessed. The bottom water temperature obtained by calculations using CMIP6 ensemble models was considered as boundary conditions.
Key words: gas hydrates, methane, hydrate stability zone, subsea permafrost, Arctic shelf.
Введение. Огромное количество природного газа законсервировано в метангидратах, что делает гидратные резервуары одним из наиболее значимых энергетических ресурсов на Земле [1]. Газовые гидраты стабильны только при определенных термобарических условиях и могут разрушаться при их изменении. Если повышение температуры или падение давления достаточно эффективно для диссоциации гидратных отложений, метан (наиболее распространенный газовый компонент) выходит из гидратной структуры и в конечном итоге попадает в атмосферу. Это может вызвать эффект положительной обратной связи, так как повышенный уровень парниковых газов будет дополнительно нагревать атмосферу и, следовательно, поддерживать или усиливать диссоциацию гидратов.
В донных отложениях мелководного шельфа Арктики при наличии многолетнемерзлого слоя гидрат метана стабилен на глубине от 130 м под поверхностью дна [2]. Подводная мерзлота формировалась во время оледенений плейстоцена в периоды океанической регрессии, когда шельф становился сушей. Существование многолетнемерзлых пород мощностью до нескольких сотен метров создавало условия для формирования газогидратных залежей [3]. Сплошная подводная мерзлота из-за низкой проницаемости образует «крышку», которая удерживает газ, поступающий из нижних слоев. Деградация мерзлоты может привести к диссоциации гидрата, эмиссии метана и выбросу пузырьков газа в морскую воду [4]. В работе [5] установлено, что в зоне интенсивного газовыделения на шельфе моря Лаптевых подводная мерзлота отсутствует.
В настоящее время существование подводной мерзлоты подтверждено бурением. Однако присутствие залежей газогидратов в многолетнемерзлых породах шельфа изучено недостаточно. Моделирование выступает как необходимая альтернатива нехватки данных.
В данном исследовании представлена одномерная численная модель для исследования формирования подводной мерзлоты и стабильности гидрата метана на арктическом шельфе для последнего ледникового цикла. На основе модели проведен анализ состояния зоны стабильности гидратов метана (ЗСГМ), а также влияния современного и возможного будущего потепления климата до конца XXIII в. на изменение ЗСГМ.
Методика. Проведено моделирование термического состояния донных отложений в геологическом разрезе 1500 м на основе разработанной модели теплопереноса в грунте (МТПГ) [3]. Область моделирования включает районы арктического шельфа с современной глубиной воды менее 120 м на одноградусной сетке. Моделирование основано на верхних динамических граничных условиях изменения поверхностной температуры и солености донных отложений и уровня моря. Эволюция субаквальной мерзлоты определялась верхними и нижними граничными условиями в области моделирования. Эти условия определяют потепление или охлаждение донных отложений за счет изменения температуры поверхности сверху и за счет геотермического потока снизу. Поверхностные условия в каждый модельный момент времени и в каждой сеточной ячейке определялись как субаэральные или субаквальные в зависимости от современной батиметрии и реконструкции уровня моря.
Одновременно с вычислением термического состояния донных отложений вычисляются термодинамические границы ЗСГМ. Особенность такого подхода состоит в объединении оценки ЗСГМ мелководных шельфов с исследованием распространения и мощности субаквальной мерзлоты. Глубины кровли и подошвы ЗСГМ оцениваются на каждом шаге по времени пересечением фазовой кривой устойчивости газогидрата метана и рассчитанного профиля температуры донных отложений [3]. Увеличение солености сдвигает границу термодинамической устойчивости гидратов метана в сторону более высокого давления и/или более низкой температуры. В модели не учитывается влияние формирования и деградации газовых гидратов на термический режим отложений, поскольку содержание гидратов в осадочных породах не рассчитывается.
На первом этапе с использованием МТПГ при изменениях верхних граничных условий, которые имитируют регрессию и трансгрессию моря, оценивались изменения слоя субаквальной мерзлоты и зоны стабильности гидратов метана в течение последних 120 тыс. лет. В расчете при субаэральных условиях использовалось пространственное распределение изменений температуры поверхности, смоделированные с помощью модели земной системы CLIMBER-2 для периода 120 тыс. лет. В качестве температуры приземной атмосферы были использованы данные реанализа NCEP/NCAR. При трансгрессии температура морской воды соответствовала пространственному распределению температуры придонного слоя воды из среднеклиматиче-ских данных. Температура в период трансгрессии предполагалась постоянной по времени до окончания первого периода, что соответствовало 1850 г.
Для оценки состояния мерзлоты и ЗСГМ в донных отложениях шельфа для периода 18502300 гг. использовались результаты расчетов климатической модели ACCESS-ESM1-5 проекта CMIP6 при сценарии historical (1850-2014) и сценарии антропогенного воздействия SSP5-8.5 (2015-2300) [6].
Результаты. В результате проведенного исследования установлены закономерности распространения и эволюции подводной мерзлоты на шельфе арктических морей. Объем донных отложений, содержащих многолетнемерзлые породы, сокращается после затопления шельфа практически с постоянной скоростью до 1850 г. [7].
Существование мерзлого слоя мощностью более 200 м приводит к формированию зоны стабильности гидратов в донных отложениях мелководного шельфа. Выполненное численное моделирование для последних 120 тыс. лет позволило создать схему распространения ЗСГМ на арктическом шельфе для доиндустриального периода (1850) (рис. 1). Формирование зоны стабильности газовых гидратов коррелирует с динамикой нижней границы многолетнемерзлого слоя [7].
Рис. 1. Модельные оценки распространения зоны стабильности гидратов метана в донных отложениях (м): а — толщина ЗСГМ; б — глубина залегания (отсчитываемая от дна) верхней границы ЗСГМ
м
60"Е
а
б
Толщина зоны стабильности составила до 1000 м для внутреннего шельфа (глубина воды 10-20 м) и менее 200 м для внешнего шельфа (глубина воды 70-100 м) (рис. 1, а). Подобно динамике подошвы слоя мерзлых пород, глубина нижней границы ЗСГМ зависит от значений геотермического потока и глубины моря. Верхняя граница расположена на 150-250 м ниже морского дна в зависимости от глубины моря (рис. 1, б). Это объясняется влиянием на ЗСГМ дополнительного давления за счет водного слоя. Повышенная интенсивность потока тепла в рифтовых структурах приводит к отсутствию условий образования газогидратов в северной части моря Лаптевых. Полученные поля температуры и солености учитываются как начальные при моделировании состояния слоя мерзлоты и ЗСГМ (начиная с 1850 г.) для исторического и будущего (до 2300 г.) периодов.
Количество льда в донных отложениях плавно уменьшается в течение периода 1850-2014 гг. Средние скорости деградации подводной мерзлоты составили 1-2 см/год. Скорость деградации мерзлого слоя зависит от температуры придонной воды. При использовании результатов расчета сценария SSP5-8.5, который включает рост температуры придонного слоя, получено быстрое ускорение таяния мерзлоты сверху. Скорости деградации для периода 2015-2100 гг. составили в среднем 5 см/год. Они усиливаются до 10-12 см/год для периода 2100-2300 гг. [7]. Зона стабильности гидратов начинается на глубине 150-250 м ниже морского дна, что уменьшает воздействие теплового сигнала при потеплении. Скорость сокращения ЗСГМ составляет около 1 см/год на мелководной и средней частях шельфа и увеличивается в области внешнего шельфа до 2-30 см/год (рис. 2). Скорость сокращения ЗСГМ практически не зависит от рассматриваемого сценария потепления в слое придонной воды и является продолжением отклика на затопление шельфа в период голоцена. Быстрое сокращение ЗСГМ на внешнем шельфе объясняется более ранним периодом затопления этой части шельфа и меньшей глубиной залегания под морским дном (см. рис. 1, б).
а б
Рис. 2. Скорость сокращения ЗСГМ (см/год): а — для периода 1850-2014 гг.; б — для периода 2015-2300 гг.
Выводы. Изучены основные факторы и механизмы, определяющие формирование, динамику и термическое состояние субаквальной мерзлоты и зоны стабильности метангидратов шельфа. Для исследования этих процессов разработана модель для долгопериодной изменчивости теплового состояния грунта в геологическом разрезе 1500 м.
Получены оценки состояния зоны стабильности метангидратов арктического шельфа с учетом формирования многолетнемерзлых пород и данных интенсивности теплового потока. Сокращение ЗСГМ происходит в основном со стороны нижней границы. Этот процесс является прежде всего следствием голоценовой трансгрессии моря, в результате которой и многолетне-мерзлые породы, и метангидраты оказались в неравновесных условиях существования.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 20-11-20112.
Список литературы / References
1. Ruppel C., Kessler J. D. The interaction of climate change and methane hydrates // Reviews of Geophysics. 2017. Vol. 55, N 1. P. 126-168.
2. Collett T. S., Lee M. W., Agena W. F., Miller J. J., Lewis K. A., Zyrianova M. V. et al. Permafrost-associated natural gas hydrate occurrences on the Alaska North Slope // Marine and Petroleum Geology. 2011. Vol. 28, N 2. P. 279-294.
3. Malakhova V. V, Eliseev A. V. Subsea permafrost and associated methane hydrate stability zone: how long can they survive in the future? // Theor. Appl. Climatol. 2024. Vol. 155. P. 3329-3346.
4. Baranov B. V., Galkin S., Vedenin A., Dozorova K., Gebruk A., Flint M. V. Methane seeps on the outer shelf of the Laptev Sea: Characteristic features, structural control, and benthic fauna // Geo-Marine Letters.
2020. Vol. 40, N 4. P. 541-557.
5. Bogoyavlensky V., Kishankov A., Kazanin A. Evidence of large-scale absence of frozen ground and gas hydrates in the northern part of the East Siberian Arctic shelf (Laptev and East Siberian seas) // Mar. Petrol. Geol. 2023. Vol. 148. P. 106050.
6. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., Connors S., Pean C., Berger S. et al. Eds. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2021. Cambridge; New York: Cambridge University Press,
2021. P. 2391.
7. Malakhova V. V. Modeling of the Arctic subsea permafrost thawing under possible climate warming // Proc. SPIE. 2023. Vol. 12780. P. 127804U.
