CC BY
33
УДК 551.465+519.63
МОДЕЛИРОВАНИЕ СУБМАРИННЫХ ТАЛИКОВ НА ШЕЛЬФЕ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ
Валентина Владимировна Малахова
Институт вычислительной математики и математической геофизики, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: malax@sscc.ru
В работе приведены результаты математического моделирования эволюции подводной мерзлоты на арктическом шельфе с учетом возможного развития термокарстовых озер и формирования субмаринных таликов. Субмаринные талики, образованные при затоплении термокарстовых озер, являются дестабилизирующим фактором и важны при моделировании современного состояния подводной мерзлоты.
Ключевые слова: шельф моря Лаптевых, подводная мерзлота, талики, зона стабильности метангидратов, термокарстовые озера.
MODELING OF SUBMARINE TALIKS OF THE LAPTEV SEA SHELF
Valentina V. Malakhova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Pr. Acad. Lavrentieva, 6, kandidat (Ph. D.) of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, tel. (383)330-64-50, e-mail: malax@sscc.ru
We presented the results of mathematical modeling of the subsea permafrost on the Laptev Sea shelf, taking into account the possible development of the thermokarst lakes within shelf and the formation of submarine taliks. The submarine taliks formed by thermokarst lakes are a destabilizing factor and are important for modeling the subsea permafrost current state.
Key words: the Laptev Sea shelf, subsea permafrost, taliks, methane hydrate stability zone, thermokarst lakes.
Море Лаптевых является одной из акваторий Северного Ледовитого океана, где развита подводная мерзлота и выполняются условия для существования газогидратов метана на мелководном шельфе. Формирование субаквальной мерзлоты в донных отложениях определяется глубоким промерзанием на суб-аэральных этапах развития шельфа, когда он становился сушей и отрицательной температурой придонной воды в современных субаквальных условиях [1]. В результате деградации подводной мерзлоты происходит нарушение термобарических условий стабильности метангидратов. Образованные сквозные талики в мерзлых донных отложениях создают пути для потоков газа из разрушенных гидратов, что может приводить, или уже приводит к повышенной эмиссии метана в атмосферу данного региона [2, 3]. Поэтому, состояние мерзлоты арктических шельфов является фактором, контролирующим стабильность метангидратов.
Данные о состоянии субаквальной мерзлоты под дном моря Лаптевых, полученные на основании буровых профилей, имеются в ограниченном количестве. Для изучения состояния подводной криолитозоны широко используется ма-
тематическое моделирование [4, 5]. Процессы оттаивания многолетнемерзлых пород шельфа является длительными и в разных районах арктического шельфа протекают с различной скоростью [4]. Полученные ранее результаты численных расчетов динамики субаквальной мерзлоты на шельфе морей восточной Арктики с учетом экстремального сценария потепления ЯСР8.5 показали, что газогидратный слой остается изолированным от поверхности морского дна слоем мерзлого грунта до 2100 года. При полученных скоростях деградации мерзлоты зона стабильности (ЗСГ) метана останется изолированной еще несколько тысяч лет после 2100 г. [5].
Значимую роль для состояния субаквальной мерзлоты играет влияние процессов термокарста, которые не были учтены в предыдущем исследовании [5]. При потеплении в период голоцена шельф Восточной Арктики, который был осушен во время регрессии моря, подвергался процессам озерного термокарста [6]. Это приводило к затоплению морской водой территорий, подвергшихся термокарсту. В результате, сформированные до затопления шельфа озера и термокарстовые лагуны создают благоприятные условия для развития нисходящих таликов под отепляющим влиянием озера.
В настоящей работе проводится моделирование современного состояния подводной мерзлоты с учетом влияния подозерных таликов, сформированных на шельфе до момента его затопления. Моделирование динамики толщи субак-вальных мерзлых пород шельфа моря Лаптевых проводилось с помощью математической модели, которая описывает перераспределение тепла в системе атмосфера - океан - осадочный слой морского дна. Для исследования динамики мерзлоты и определения ее мощности использовался палеогеографический сценарий, учитывающий изменения уровня океана и формирование мерзлых толщ в субаэральных условиях на протяжении 120 тысяч лет. Более подробное описание используемой модели подводной мерзлоты и детали палеогеографического сценария представлены автором ранее в работе [5].
Был проведен расчет для шельфа восточной части моря Лаптевых для современной изобаты 20 м. Верхние граничные условия задавались в виде изменения температуры грунта по времени. По выбранному сценарию 117 тысяч лет назад (т.л.н.) начиналось осушение шельфа, и расчёт проводился в субаэраль-ных условиях. В процессе расчета температура на верхней границе соответствовала значениям температуры воздуха. За начальный момент протаивания ледового комплекса и образования озера принималось время 13 т.л.н. После образования термокарстового озера температура на верхней границе повышалась и принимала значение +2°С [6]. В ходе последующей трансгрессии океана, 5 т.л.н., она приравнивалась к температуре придонных слоев морской воды, -1,8°С. Считалось, что как только точка шельфа переходит от субаквальных условий к субаэральным, или наоборот, температура меняется скачком. Принималось, что на месте озера происходит понижение рельефа до 30 м и накопление засоленных морских отложений, температура замерзания которых составила -1,8°С. Отложение разреза ниже 30 м считалось незасоленным с температурой
замерзания 0 °С. На нижней границе модельной области задавался геотермический поток 60 мВт/м .
Результаты расчетов представлены на рис. 1 в виде графиков изменений температур в донных отложениях для глубин 0, 100, 200, 300, 500 м под дном моря на шельфе. К началу образования озера (13 т.л.н.) подошва мерзлых отложений находится на глубине порядка 680 м под морским дном в результате длительного промерзания этой части шельфа в субаэральных условиях. Изменение палеогеографических условий на поверхности в результате образования озера приводит к росту температуры в донных отложениях для всех представленных глубин. В верхних 115 м температура повышается до положительных значений, что приводит к разрушению мерзлого слоя донных отложений и образованию несквозного талика, рис. 2. Сокращение мощности мерзлоты в период существования озера происходит и со стороны нижней границы за счет геотермического потока со скоростью 1,8 см в год. При этом температура в слое мерзлого грунта повышается до 0°С, что соответствует заданной температуре фазовых переходов. Температурный профиль в слое мерзлых донных отложений становится безградиентным.
Тысяч лет назад
20 15 10 5 0
Рис. 1. Результаты моделирования для восточной части моря Лаптевых при глубине моря 20 м. Ход температур в донных отложениях для глубин под дном моря: (1) - поверхность дна, (2) - 100 м , (3) - 200 м, (4) - 300 м, (5) - 500 м
В процессе трансгрессии и последующего затопления озера морской водой происходит дальнейшее разрушение мерзлоты со стороны нижней границы со скоростью до 2 см/год и промерзание в верхнем слое донных отложений под озером со скоростью 2,1 см/год, рис. 2. В сценарном эксперименте глубина
промерзания талика составила порядка 104 м, тогда как верхняя граница мерзлых пород находится на глубине 115 м. Талым остается и верхний 30 м слой донных осадков, который предполагается сложенным морскими засоленными отложениями. В результате численного эксперимента получено, что подводная мерзлота состоит из перемежающихся слоев талых и охлажденных пород, рис. 2.
к а 5
5 о
ч
о
с
(в
0 200 400 600 800
20
Тысяч лет назад
15 10
0
ю
£ 1000
1200
§41—. --|--2
■ Л —
■ 1
______1____ ------
Рис. 2. Результаты моделирования для восточной части моря Лаптевых при глубине моря 20 м. Динамика мощности мерзлоты и ЗСГ метана на шельфе с 20 т.л.н. до настоящего времени (в м): (1) - изменение положения нижней границы мерзлоты, (2) - верхней границы мерзлоты, (3) - нижней границы ЗСГ метана, (4) - верхней границы ЗСГ метана
В данном исследовании проводился расчет зоны стабильности гидратов метана на основе учета термобарических условий дна и поддонного грунта. В условиях подводной мерзлоты ЗСГ метана мощностью 700 м существует по всей области шельфа моря Лаптевых. Верхняя граница этой зоны находится внутри мерзлой толщи, а нижняя - ниже подошвы мерзлоты. Значительные изменения с ЗСГ происходят при повышении температуры в донных отложениях и уменьшении мощности мерзлого слоя во время образования озера и трансгрессии моря, рис. 2. Однако уменьшение мощности ЗСГ метана происходит более медленно, чем криолитозоны, что объясняется дополнительным стабилизирующим фактором - возрастанием гидростатического давления за счет повышения уровня моря в период трансгресии. В результате опускания верхней границы ЗСГ метана на 80 м, и возможного разложения гидратов может происходить накопление свободного метана в охлажденных слоях донных отложений. Потоки газа в вышележащие слои и придонную воду будут контролироваться только состоянием мерзлого слоя.
Таким образом, в разных частях арктического шельфа состояние мерзлых толщ может быть различно. Так, субмаринные талики, образованные вследствие затопления термокарстовых озер в процессе трансгрессии, нарушают сплошность верхних слоев подводной мерзлоты, приводят к увеличению скорости ее деградации и могут создавать дополнительные каналы для выхода газа внутри мерзлых пород. Потоки газа в местах таких таликов могут приводить к обогащению метаном придонного слоя воды и эмиссии метана в атмосферу на шельфе моря Лаптевых [2, 3].
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов РФФИ (№ 14-05-00730 А, № 15-05-02457 А).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Романовский Н.Н., Тумской В.Е. Ретроспективный подход к оценке современного распространения и строения шельфовой криолитозоны восточной Арктики // Криосфера Земли. 2011. Т. XV. № 1. С. 3-14.
2. Shakhova N., Semiletov I., Leifer I., Rekant P., Salyuk A., 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.
3. 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.
4. Разумов С.О., Спектор В.Б., Григорьев М.Н. Модель позднекайнозойской эволюции криолитозоны шельфа западной части моря Лаптевых // Океанология. 2014. Т.54. № 5. -С. 679-693.
5. Малахова В.В., Голубева Е.Н. Оценка устойчивости состояния мерзлоты на шельфе Восточной Арктики при экстремальном сценарии потепления в XXI в. // Лёд и Снег. 2016. Т.56. №1. С.61-72. D0I:10.15356/2076-6734-2016-1-61-72
6. Касымская М.В. Реликтовый термокарстовый рельеф и талики восточной части шельфа моря Лаптевых. Автореф. дисс. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2010. 28 с.
© В. В. Малахова, 2016
