CC BY
75
УДК 551.465+519.63 В.В. Малахова ИВМиМГ, Новосибирск
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА МЕТАНА В ОКЕАНЕ ОТ ИСТОЧНИКОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ СУБМАРИННОЙ РАЗГРУЗКОЙ ФЛЮИДОВ
V.V. Malakhova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics Pr. Lavrenteva, the house 6, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
MODELLING OF METHANE TRANSPORT IN THE OCEAN FROM THE SOURCES CAUSED SUBMARINE FLUID VENTING
As part of the global carbon cycle, enormous quantities of methane occur in marine sediments. One mechanism to release methane from the sediment to the ocean is through submarine mud volcanism, hydrocarbon seeps and vents. Accordingly, methane dissolved from the plume may transfer to surface waters and, thus, potentially be released to the atmosphere. The three-dimensional mathematical model of the dissolved gas transport by the ocean currents is used for the quantitative evaluation of the scale of a possible methane flux into the atmosphere from the submarine fluid venting.
The climatic large-scale currents field is obtained from the three-dimensional global model of the ocean dynamics. The problem was solved numerically on a spatial grid with resolution of 3 degrees in latitude and in longitude and with 24 levels on the vertical. A three-dimensional equation of transport of dissolved methane from sources is simultaneously solved. The calculated methane flux into the atmosphere was exceeding 9-20 Tg/year.
Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли. Учет вклада CH4 в парниковый эффект дает до 15 % прироста средней температуры, что в четыре раза меньше аналогичной оценки для углекислого газа, соответствующей 61 %, тем не менее, потенциальный вклад метана в глобальное потепление, в 20-27 раз больше, чем потенциал углекислого газа [1]. Увеличение концентрации метана в атмосфере составляет 1-2 % в год, что превышает рост углекислого газа. Так за последние сорок лет концентрация метана увеличилась примерно на 30 %, и в настоящее время составляет 1 750 ppb [2].
Роль Мирового океана в качестве источника глобального поступления метана в атмосферу оценивается разными авторами в пределах 3-50 Мт в год, при его ежегодном бюджете 457-1 665 Мт/год [1]. Как видно, океаны вносят незначительный вклад в общий баланс, всего 2-4 %. По другим оценкам поток метана только из областей его постоянной разгрузки на континентальном шельфе может составлять от 8 до 65 Мт ежегодно [3]. Такое расхождение в оценках объясняется слабой изученностью потока абиогенного метана из литосферных источников, к которым относятся залежи газогидратов, гидротермальные системы СОХ, флюидные сипы, газовые венты, грязевые вулканы и др. [1]. Известно, что субмаринная разгрузка
флюидов характерна для определенных участков дна Мирового океана, местоположение и размеры, которых представлены в работах [4, 5]. Результаты многочисленных исследований показывают, что к местам подводной разгрузки газов приурочены газогидраты, расположенные непосредственно на поверхности морского дна. Такая связь подтверждает существование постоянного подтока метана для образования газогидратов [6].
В целом, морская вода недонасыщена метаном по сравнению с его растворимостью от поверхности до самого дна. Поэтому Мировой океан является практически бесконечным резервуаром для метана, который может поступать в воду в районах разгрузки глубинных флюидов [6].
В данной работе представлена модель переноса метана от источников, обусловленных процессами подводной разгрузки глубинных флюидов. Кратко опишем структуру разработанной модели.
На первом этапе определяется начальное термохалинное состояние океана. Климатическое состояние океана было получено из трехмерной линеаризованной модели динамики Мирового океана, включающей сезонную изменчивость, с учетом реальной топографии дна, Арктического бассейна и Средиземного моря. Задача решалась в полигональной области Мирового океана от 76,5° ю. ш. до 88,5° с. ш. на трехградусной сетке с 24 вертикальными уровнями до достижения квазистационарного состояния через время порядка нескольких тысяч лет.
Начиная с этого климатического состояния океана, система уравнений динамики океана интегрируется с временным шагом 10 суток. Одновременно решается трехмерное адвективно-диффузионное уравнение переноса метана. Адвективно-диффузионный процесс распространения газа-трассера, растворенного в морской воде, концентрацию которого обозначим через С, будем описывать уравнением [7]
дс и дс идс дс д дс « ^
+------------+------+ w----= —к-----+ ^-Дс . (1)
дt а Бтв дЛ а дв дг дг дг а 2
*
На поверхности океана: С = С (в) = (1+соз(в))-50нл/л.
д С
На боковой поверхности Г: ----= 0
дп
г д С
к-=0, нет источника метана
д г
На дне океана ъ = Н: <
-5
С=500-10 мл/л=5000 ррЬ , источник
(2)
Использованы следующие обозначения: и, и, w - компоненты вектора скорости по координатам л, в, z, где л долгота, в дополнение широты до 90°, 2 направлена вертикально вниз; ц(2), к(г) - коэффициенты горизонтальной
и вертикальной турбулентной диффузии; a - средний радиус Земли; t -время; h (Л,в) - рельеф дна, Г - боковая поверхность области.
Заданные на поверхности значения концентраций метана изменяются зонально от 50 ppb в южных высокоширотных областях океана до 100 ppb в северных высокоширотных областях.
В результате геологических исследований Мирового океана в течение последнего десятилетия обнаружено более 70 участков подводной разгрузки метана, которые описаны в работах [5, 6]. В основном эти участки расположены в периферических районах океана, охватывающих шельфы, континентальные склоны и приконтинентальные глубоководные желоба. В модели источники метана задаются на дне океана, в соответствии с данными работ [5, 6] и представлены на рис. 1.
В придонных точках, где предполагается наличие источника, задается повышенная концентрация метана в 100 раз превосходящая среднее фоновое значение C = 50 нл/л (первый эксперимент), либо задается фильтрационный поток метана с учетом его растворимости в морской воде (второй эксперимент).
Такой подход подтверждается измеренными данными о концентрации метана в океанских водах. В монографии Обжирова [8] приводится пример впадины Дерюгина, где на станции 228 с выходом газа, содержание метана в 100 раз больше, чем на соседней станции, где выход газа не обнаружен.
По результатам измерений, проведенным в Охотском море, концентрация метана внутри газового потока оказалась равной 20 ppm, что в 400 раз превышает среднюю концентрацию [9]. Метан, выделившийся в результате глубинной разгрузки, разносится океаническими течениями, как это наблюдалось на разрушающемся газогидратном поле в кальдере грязевого вулкана Хаакон Мосби в Норвежском море [6]. Результаты прямого геохимического опробования дали аномально высокие значения концентраций метана на80 метров над вулканом.
Рис. 1. Модельное распределение источников метана на дне океана в
соответствии с данными [5, 6]
В дальнейшем исследуется модельный перенос растворенного метана океаническими течениями в акватории Мирового океана, и рассчитывается поток метана в атмосферу. Поток метана через поверхность океана является функцией температуры поверхностной воды Т и скорости ветра V [10]:
F = а 2 q Л 0.31К: О
о ¡>3 о 1 " дС"
к
[ 660 J _ дг _
d О.
(3)
г = 0
X—3
где q = 0.7169 • 10— - удельный вес метана, 8е - число Шмидта
определяется по формуле:
£с = 2039.2 — 120.31Т + 3.4209Т2 — 0.040437Т3 .
При этом предполагается, что весь метан растворяется в морской воде, и пузырьки метана непосредственно атмосферы не достигают.
Были проведены два численных эксперимента. Каждый эксперимент начинался с одних и тех же начальных рассчитанных климатических полей. Время интегрирования численной модели климата Мирового океана совместно с уравнением переноса метана составило порядка 500 лет. В каждом эксперименте находится диффузионный поток метана в атмосферу.
В первом эксперименте этом поток метана в атмосферу составил 9 Тг/год. Средняя концентрация растворенного метана в океане выросла до 650 нл/л. На рис. 2 показано горизонтальное распределение растворенного метана на глубине 350м. Как видно, растворенный метан переносится океаническими течениями от источников по всей акватории океана. Сильное влияние на распределение метана оказывает горизонтальная циркуляция в океане. Так большие значения
концентраций в тропиках Тихого океана обусловлены течением западного направления. Заметен также адвективный перенос метана в области Куросио.
В описанном эксперименте источники метана задавались косвенным образом в виде увеличения концентрации растворенного метана в 100 раз. Во втором эксперименте проверяется влияние сценарного параметра - мощность источника.
Далее источник метана в модели задается с учетом скорости фильтрационного выноса метана, растворенного в поровой воде. Для фильтрационного потока растворенного компонента предложено выражение, [6]: дс = Vf (С - С), ^ = В ¡8 , где Ср - растворимость метана
в морской воде, Vf - скорость восходящей фильтрации, 8 = 1 см - толщина
5 2
диффузионного подслоя, В = 10" см /с - коэффициент молекулярной диффузии метана в воде. Используется прием, когда вблизи дна выделяется узкий диффузионный подслой, в котором считают, что весь перенос осуществляется только молекулярной диффузией.
Рис. 2. Распределение растворенного метана в океане на глубине 350м, в нл/л, полученное в первом численном эксперименте через 500 лет модельного времени. Значения на изолиниях в у. е. (1 у. е. = 5-10"5 мл/л)
Для определения растворимости метана в морской воде использовалось
0.64
Р 3
выражение [11]: Ср = 0.4342-------------- в см/г, где р - давление в
(Т + 5.278)
кг/см , Т - температура в градусах. Растворимость метана в поверхностных
водах составляет величину порядка 30-50 мл/л, и быстро растет с глубиной, достигая 1200 мл/л и более.
Мощность источника во втором эксперименте зависит от растворимости метана в морской воде и различна для всех модельных точек. Это привело к увеличению концентрации метана в зонах разгрузки газов, расположенных на больших глубинах, в то же время в мелководных районах мощность источника уменьшилась. Модель была проинтегрирована на срок 500 лет до установления. Максимальный поток метана в атмосферу во втором эксперименте увеличился, и составил 21 Тг/год. Средняя концентрация растворенного метана в морской воде составила 1500 нл/л.
Таким образом, модель дает значения потока метана в атмосферу в результате подводной разгрузки глубинных флюидов - газовым сипам, вентам, грязевым вулканам, которые лежат в пределах, имеющихся в литературе оценок, [3, 10, 12].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адушкин В.В. Соотношение антропогенной и природной составляющей в потоке газов в атмосферу / В.В. Адушкин, С.П. Соловьев, С.Б. Турунтаев / Глобальные изменения природной среды - 2001. - Новосибирск. - Изд-во СОРАН. - 2001. - С. 249-265.
2. Wuebbles D.J. Atmospheric methane and global change / D.J. Wuebbles, K. Hayhoe / Earth-Science Reviews. - 2002. - V. 57. - P. 177-210
3. Hovland M. The global flax of methane from shallow submarine sediments / M. Hovland, A.G. Judd, R.A. Burke / Chemosphere. 1993. V. 26. P. 559-578.
4. Milkov A.V. Worldwide distribution of submarine mud volcanoes and associated gas hydrates / Marine Geology. 2000. V. 167. P. 29-42.
5. Mazurenko L.L. Worldwide distribution of deep-water fluid venting and potential occurrences of gas hydrate accumulations / L.L. Mazurenko, V.A. Soloviev / Geo-Mar. Lett. 2003. V. 23. P. 162-176.
6. Егоров А.В. Формирование и разложение газогидратов в осадках Арктического подводного грязевого вулкана Хаакон Мосби / в кн. «Опыт системных океанологических исследований в Арктике». М.: Научный мир. 2001. С. 511-521.
7. Щербаков А.В., Малахова В.В. Математическое моделирование потока метана в атмосферу в результате разложения метангидратов Мирового океана // Оптика атмосферы и океана. 2005. Том 18. № 5-6. С. 485-489.
8. Обжиров А.И. Газогеохимические поля придонного слоя морей и океанов. - М.: Наука. 1993. 139 с.
9. Obzhirov A., Suess E., Salyuk A. and at. Methane Flares of the Ohkotsk Sea // Abstracts book of VI International conference on «Gas in marine sediments». St.-Peterburg. 2000. P. 104.
10. Шахова Н.Е. Семилетов И.П., Бельчева Н.А. Растворенный метан в шельфовых водах Арктических морей // Доклады Академии Наук. 2005. Т. 402. № 4. С. 529-533.
11. Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Рос. Хим. Журнал. 2003. Т. XLVII. № 3. С. 70-79.
12. Etiope G., Klusman R. W. Geologic emissions of methane to the atmosphere // Chemosphere. 2002. V. 49. P. 777-789.
© В.В. Малахова, 2008
