CC BY
147
УДК 551.465+519.63
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ДИНАМИКИ ПОДВОДНОЙ МЕРЗЛОТЫ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА
Валентина Владимировна Малахова
Институт вычислительной математики и математической геофизики, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. 8-913-892-7069, e-mail: malax@sscc.ru
Приведены результаты математического моделирования динамики толщи субаквальной мерзлоты и зоны стабильности газогидратов на Восточно-Сибирском шельфе. По результатам экспериментов глубина залегания нижней кровли криолитозоны на шельфе находится на уровне 130-210 м под поверхностью дна при геотермическом потоке тепла 60-70 мВт/м2. Динамика оттаивания мерзлоты более чувствительна к величине потока тепла, чем к изменениям температуры придонного слоя воды. Показана возможность существования сквозного талика в мерзлых толщах в море Лаптевых в районе дельты реки Лены при потоках тепла 100 мВт/м2.
Ключевые слова: Восточно-Сибирский шельф, криолитозона Арктического шельфа, зона стабильности метангидратов, мерзлота.
MATHEMATICAL MODELING OF THE SUBMARINE PERMAFROST LONG-TERM DYNAMICS OF THE ARCTIC SHELF
Valentina V. Malakhova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Pr. Acad. Lavrentieva, 6, Kandidat (PhD) of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, tel. 8-913-892-7069, e-mail: malax@sscc.ru
Results of the mathematical modeling of the dynamics of submarine permafrost and the methane hydrate stability zone in the sediment of the East - Siberian Arctic shelf are reported. The thickness of permafrost on the shelf is 130-210 m for the geothermal heat fluxes 60-70 mW/m2 on the results of experiments. Thawing permafrost dynamics is more sensitive to the magnitude of the heat flux than to the bottom water temperature changes. It is shown the possible existence of talks in permafrost in the Laptev Sea in the delta of the Lena River when 100 mW/m2 heat flow.
Key words: East Siberian shelf, CTyolithozone of the Arctic shelf, methane hydrate stability zone, permafrost.
1. Введение
Наличие субаквальных многолетних мерзлых пород на шельфах арктических морей является до настоящего времени одним из дискутируемых вопросов, поскольку данные геологических изысканий в этом регионе крайне ограничены. Изучение происхождения, состояния и динамики субаквальной мерзлоты представляет большой интерес, во-первых, в связи с возможным промышленным освоением шельфовых месторождений нефти и газа. Во-вторых, состояние подводной мерзлоты на шельфе может иметь важное климатическое значение. Деградация подводных мерзлых
пород и нарушение условий существования газогидратов на шельфе могут привести к выбросу огромных количеств метана в атмосферу этого региона. Данные экспедиционных исследований уже сейчас демонстрируют массивную эмиссию метана из донных отложений морей Лаптевых и Восточно-Сибирского [1].
Считается, что подводная мерзлота Арктического шельфа сформировалась на суше в холодную эпоху во время отступания моря. Причинами регрессий и трансгрессий Арктического бассейна считают гляциоэвстатические колебания уровня Мирового океана [2]. Огромная площадь шельфа с глубинами до 100-120 м в ледниковые периоды была сушей. На ней в результате промерзания под воздействием атмосферных температур формировалась мерзлота, в структуру которой метан мог включаться в форме газовых гидратов.
Газовые гидраты - твердые кристаллические соединения газов с водой, образующиеся в определенных условиях высоких давлений и низких температур, типичных для глубоководных осадков Мирового океана. На мелководном арктическом шельфе с глубинами до 200 м зона стабильности газовых гидратов связана с наличием субмаринной криолитозоны. Изучение состояния и динамики субаквальной мерзлоты на арктическом шельфе важно для поиска газогидратных месторождений и оценки возможных выбросов метана в атмосферу. Один из ключевых вопросов при моделировании мерзлоты - наличие в ней открытых таликов, через которые газы могут попадать в водную толщу.
Основные представления о распространении мерзлых пород получены в результате инженерно-геологического бурения в прибрежных районах до глубин 5-10 м. Фактических данных о состоянии и мощности субаквальной мерзлоты на шельфе с глубинами моря более 20 м практически нет. Для изучения распределения современной мощности криолитозоны широко используется математическое моделирование [2, 3, 4]. При моделировании подводной мерзлоты на арктическом шельфе традиционно используются модели, в которых учитывается представление об изменении уровня океана и положения береговой линии. Значимую роль для современного состояния субаквальной мерзлоты играет температура придонного слоя воды, определяющая глубину сезонного протаивания. Если температура придонных вод выше 0°С, реликтовые мерзлые толщи могут протаивать полностью, либо частично.
В настоящей работе представлены результаты математического моделирования динамики толщи субаквальных мерзлых пород и зоны стабильности гидратов метана на Восточно-Сибирском шельфе (ВСШ) с учетом рассчитанной на основе модели Северного Ледовитого океана -Северной Атлантики (СЛО-СА) температуры придонной воды для 1948-2012 гг., [5, 6].
2. Методы исследования
Считается, что подводная криолитозона Арктического шельфа сформировалась на суше в холодную эпоху во время понижения уровня
2
моря, 18-20 тысяч лет назад (т.л.н.), а затем была им затоплена, примерно 6-8 т.л.н, [2]. Для расчетов теплового поля в осадочном слое и определения нижней границы криолитозоны на шельфе использовалась модель теплопереноса в грунте ИФА РАН [7]. В основе математической модели лежит формулировка задачи Стефана со смешанными краевыми условиями в одномерной постановке. На верхней границе расчетной области задавались изменения температуры воздуха или воды в соответствии с рассматриваемым сценарием. На нижней границе задавался постоянный во времени тепловой поток равный 60, 70 и 100 мВт/м2.
На первом этапе были проведены расчеты от момента времени, предшествующего последней трансгрессии моря, 9 т.л.н., до 1948 г., в соответствии с [3]. В качестве начальных условий принималось образование мерзлых пород в аэральных условиях во время регрессии моря 9 т.л.н. и решение уравнения теплопереноса согласно заданной средней температуры воздуха -13°С и геотермическому градиенту 60 мВт/м2. При затоплении шельфа (8 т.л.н.) температура атмосферы скачком менялась на температуру придонной воды, которая была принята -1,5°С на весь период моделирования до 1948 г. Далее придонная температура воды задавалась на основе расчета по региональной модели СЛО-СА до 2012 г.
3. Результаты моделирования
Результаты численного моделирования показали возможность существования подводной мерзлоты на шельфе морей восточной Арктики, нижняя граница залегания которой изменялась от 460 до 210 м за весь период моделирования до 1948 г., рис. 1. Рост температуры придонных вод за моделируемый период с 1948 по 2012 г. привел к незначительному (на 1-3 м) поднятию нижней кровли мерзлоты. При этом верхняя граница криолитозоны опустилась до 25 м в областях шельфа, где придонная температура воды стала положительной.
Расчетное время, годы 8000Л. Н. 6000Л.Н. 4000Л.Н. 2000Л.Н. 0Л.Н.
0--1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—1—I—I—I—I—I—I—I—I
100 -
* 400 -
§ 200 -
о
о 300 -■—
о
— Нижняя граница мерзлого грунта
Нижняя граница
го 500 -
ЗСГ
о
® 600 -
— Верхняя граница
ЗСГ
900 -
Рис. 1. Изменение по времени от 8000 лет назад (л. н.) до состояния 1948 г. (0 л. н.) глубины слоя мерзлого грунта, верхней и нижней границ ЗСГ метана
Анализ результатов моделирования показал, что состояние толщи мерзлых пород зависит от заданных физических характеристик грунта и геотермического потока тепла. Динамика оттаивания мерзлоты более чувствительна к величине геотермического потока тепла, чем к изменениям температуры придонного слоя воды, рис. 2. Так, проведение численных расчетов с более высоким потоком тепла 100 мВт/м2 показало возможность существования сквозных таликов в юго-восточной части моря Лаптевых в районе дельты реки Лены, аналогично результатам работы [4].
Рис. 2. Результаты моделирования для устьевой зоны р. Лены, придонная температура воды (сплошная черная линия), температура в грунте на глубине 50 м ниже дна при геотермическом потоке тепла 60 мВт/м
(длинный пунктир), то же при 70 мВт/м (серая линия),
2
то же при 100 мВт/м (короткий пунктир)
С помощью модели теплопереноса в поддонном грунте, дополненной термобарическими условиями существования газогидратов метана [8], были рассчитаны границы возможной зоны стабильности газогидратов (ЗСГ) на шельфе. Верхняя граница ЗСГ метана на шельфе по данным численного эксперимента находится на 250-280 м ниже дна при глубине моря 20 - 60 м, рис. 1. При увеличении придонной температуры эта граница опускается, и в слое между ее первоначальным и текущим уровнем происходит возможное разложение гидратов с выделение газа. Газ, накопившийся между нижней границей мерзлоты и верхней границей зоны стабильности, может
4
мигрировать вертикально вверх через разрывы в слое осадков, образуя дополнительные источники метана на дне.
4. Заключение
Результаты моделирования показали существование сквозных субмаринных таликов при повышенном тепловом потоке 100 мВт/м при глубине моря порядка 20 м (74-730 с.ш. и 128-1320 в.д.), и возможность выхода метана из донных отложений, что подтверждается анализом распределения концентраций растворенного метана в восточной части моря Лаптевых [1]. Области с более низкими концентрациями метана в воде могут быть связаны с несквозными таликами при тепловых потоках 60-100 мВт/м , так как метаногенез может протекать лишь в талом слое осадков и давать дополнительные источники метана на дне, [9]. Оставаясь стабильной, подводная мерзлота играет роль непроницаемой крышки, останавливая движения метана из разрушенных газогидратов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Shakhova, N., Semiletov, I., Leifer, I., Rekant, P., Salyuk, A., and Kosmach, D.: Geochemical and geophysical evidence of methane release from the inner East Siberian Shelf // J. Geo-phys. Res. 2010. V. 115, C08007, doi:10.1029/2009JC005602.
2. Romanovskii N. N., Hubberten H.W., Gavrilov A. V., Eliseeva A. A., Tipenko G. S. Offshore permafrost and gas hydrate stability zone on the shelf of East Siberian Seas // Geo Mar. Lett.2005.V. 25. P. 167-182, doi:10.1007/s00367-004-0198-6.
3. Delisle G. Temporal variability of sub-sea permafrost and gas hydrate occurrences as function of climate change in the Laptev Sea, Siberia // Polarforchung. 2000. V.68. P.221-225.
4. Nicolsky D.J., Romanovsky V. E., Romanovskii N.N., Kholodov A.L., Shakhova N.E., Semiletov I.P. Modeling sub-sea permafrost in the East Siberian Arctic Shelf: The Laptev Sea region // J. Geophys. Res. 2012. V.117. F03028, doi:10.1029/2012JF002358.
5. Голубева Е. Н., Платов Г. А. Численное моделирование отклика Арктической системы океан-лед на вариации атмосферной циркуляции 1948 - 2007 гг. // Известия РАН, серия ФАО. 2009. Т.45. № 1. С.145 -160.
6. Кузин В.И., Платов Г.А., Голубева Е.Н., Малахова В.В. О некоторых результатах численного моделирования процессов в Северном Ледовитом океане / // Известия РАН. ФАО. - 2012.- Том 48. - № 1. С.117-136.
7. Денисов С.Н., Аржанов М.М., Елисеев А.В., Мохов И.И. Оценка отклика субаквальных залежей метангидратов на возможные изменения климата в XXI веке // Доклады Академии Наук. 2011. Т. 441. № 5. С. 685-688.
8. Moridis G.J., Kowalsky M.B., Pruess K. Users manual: a numerical simulator for modeling the behavior of hydrates in geologic media // HydrateResSim. Department of Energy, Contract No. DE-AC03-76SF00098. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, 2005.
9. Малахова В.В., Голубева Е.Н. О возможной эмиссии метана на шельфе морей Восточной Арктики // Оптика атмосферы и океана. - 2013. Т. 26, № 06. С. 452-458.
Работа выполнена при поддержке междисциплинарного ИП СО РАН №109
© В. В. Малахова, 2014
