Оценка глубинного теплового потока через дно Телецкого озера по результатам мониторинга температуры в донных осадках Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ОЦЕНКА ГЛУБИННОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ДНО ТЕЛЕЦКОГО ОЗЕРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ В ДОННЫХ ОСАДКАХ

Антон Альбертович Дучков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник, e-mail: duchkovaa@ipgg.nsc.ru

Ирина Игоревна Фадеева

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, аспирант, e-mail: fadeevaii@ipgg.nsc.ru

Сергей Алексеевич Казанцев

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник, e-mail: kazantsevsa@ipgg.nsc.ru

Фредрик Андерссон

Лундский университет, Центр математических наук, Box 118, SE-22100, Лунд, Швеция, доцент, e-mail: fa@maths.lth.se

Амплитуда годовых изменений температуры придонной воды даже в наиболее глубокой (глубина - 300 м) части Телецкого озера составляет 0,8-1 °С. Для оценки глубинного теплового потока на фоне сильной климатической помехи был проведен двухлетний мониторинг температуры в осадках до глубины 115 см. Предварительная обработка данных мониторинга дает оценку глубинного градиента G = 115 мК/м, что соответствует аномально высокому тепловому потоку 100-115 мВт/м2. Результат будет уточняться при более точном (численном) моделировании процесса теплопереноса в осадках.

Ключевые слова: тепловой поток, Телецкое озеро, сезонные вариации температуры.

TERRESTRIAL HEAT FLOW THROUGH TELETSK LAKE BOTTOM ESTIMATED FROM TEMPERATURE MONITORING IN BOTTOM SEDIMAENTS

Anton Albertovich Duchkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, Pr. Ac. Koptyuga, 3, senior research scientist, e-mail: duchkovaa@ipgg.nsc.ru

Irina Igorevna Fadeeva

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, Pr. Ac. Koptyuga, 3, PhD student, e-mail: fadeevaii@ipgg.nsc.ru

Sergey Alekseevich Kazantsev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, Pr. Ac. Koptyuga, 3, senior research scientist, e-mail: kazantsevsa@ipgg.nsc.ru

Fredrik Andersson

Lund University, Centre for Mathematical Sciences, Box 118, SE-22100 Lund, Sweden, associate professor, e-mail: fa@maths.lth.se

Teletsk Lake is characterized by considerable seasonal variations of bottom water temperature -even in the deepest part (300 m deep) its amplitude is 0,8-1 °С. For the heat flow estimation in presence of strong seasonal noise we have accomplished a two-year temperature monitoring in bottom sediments down to the depth of 115 cm. Preliminary data analysis results in the deep temperature gradient estimate G = 115 mK/m that corresponds to anomalously high heat flow values about 100-115 mW/m2. This result will be further checked using more accurate (numerical) methods of modeling heat transfer in sediments.

Key words: heat flow, Teletsk Lake, seasonal temperature variations.

Одним из аргументов в пользу рифтогенного или запрудного происхождения Телецкого озера может служить оценка теплового потока через дно озера (для первого случая характерен высокий тепловой поток, для второго - низкий). Однако измерить тепловой поток (ТП) в донных осадках этого озера оказывается затруднительным. Это связано с тем, что даже в наиболее глубокой (порядка 300 м) меридиональной части озера амплитуда годовых изменений придонной температуры составляет 0,8-1 °С. Измерения и расчеты показывают, что эти вариации придонной температуры существенно нарушают температурный режим верхнего слоя (мощностью до 6-7 м) донных осадков [1]. В таких нестационарных условиях ТП может быть определен по данным длительного (1-3 года) мониторинга температуры осадков на нескольких глубинах. Последующая количественная интерпретация результатов мониторинга позволяет выделить глубинный температурный сигнал на фоне значительных климатических помех.

Соответствующий эксперимент был нами начат еще в 2005 г. на вертикали Корбу (рис. 1), где глубина озера превышает 300 м. При этом мы использовали для мониторинга автономный термограф, показанный на том же рисунке. Было предпринято несколько попыток внедрения аппаратуры в осадки на длительное время. В результате удалось зарегистрировать изменения температуры осадков и придонной воды в течение трех месяцев в 2005 г. [2].

Черной точкой на карте отмечен пункт мониторинга температуры дна; К -герметичный контейнер с автономным измерителем температуры (АИТ); С -металлический стержень (1,5 м), Т - стальная трубка с температурными датчиками (терморезисторы). Еще один датчик помещен в контейнер (отмечен точкой) и измеряет температуру корпуса контейнера, находящегося в воде. Датчики 1-5 погружаются в осадки.

Затем аппаратура была внедрена в осадки в том же пункте 11.08.2006. Однако вскоре часть фала, связывающего термограф с берегом, была похищена. Летом 2010 г. удалось зацепить и поднять термограф, потерянный в 2006 г. В памяти прибора сохранились записи температуры по всем каналам за последние 27 месяцев (примерно с июня 2008 г. по август 2010 г.).

Рис. 1. Фрагмент карты Телецкого озера (А) и общий вид термографа (Б).

Результаты мониторинга показаны на рис. 2. Они, а также следы ила на зонде, свидетельствуют, что четыре нижних датчика располагались все это время в осадках на глубинах 10, 45, 80 и 115 см. Верхний датчик (№5) регистрировал изменения температуры воды непосредственно под контейнером.

4,5 !

Температура Температура придонной воды и

4 3 осадков на разных глубинах

02.06.2008 02.09-2008 02.12.2008 02.03.2009 02.06.2009 02.09.2009 02.12.2009 02.03.2010 02.06.2010

Рис. 2. Результаты мониторинга температуры дна (вода и осадки) центральной части Телецкого озера: июнь 2008 - сентябрь 2010. Синий график - изменения температуры придонной воды, остальные графики - изменения температуры осадков на глубинах 10, 45, 80 и 115 см (врезка). Интервал между измерениями - 1,5 часа (частота измерений - 16 измерений в сутки)

Влияние вариаций температуры придонной воды (ТПВ) может быть удалено из результатов долговременного мониторинга температуры. Это позволит определить глубинные значения геотермического градиента и теплового потока.

Очевидно, что ТПВ могут быть аппроксимированы гармониками ряда Фурье [3]. Для дальнейшей интерпретации мы будем использовать графики мониторинга только за 2 года (с июня 2008 г. по июнь 2010г.), а в качестве поверхностной температуры Т^, 2=0) принимаем распределение Т в осадках на глубине 10 см (желтая кривая на рис. 2).

Наилучшую аппроксимацию наблюденной кривой Т<(,, 2 = 0) дают 15 гармоник ряда Фурье (рис. 3):

15

та (г) = т (г,0) = 70 + £ (лп соь(тг)+вп вшриО), (1)

п=1

основное приближение дается гармоникой годового периода (рис. 3):

т (г ,0) = Т) + Л2 сов(2р ) + В2 8ш(2р? ), (2)

В (1) и (2) Т0= 3,230С, А2=0,1580С, В2=-0,4010С.

Рис. 3. Представление поверхностной температуры (г = 10 см) гармониками ряда Фурье: сплошная кривая - наблюденная температура на глубине 10 см, штрих-пунктир - одна годовая синусоида и пунктир (практически сливается со сплошным графиком) - 15 первых гармоник ряда Фурье

В ходе интерпретации мы предполагаем, что осадки однородны, глубинный тепловой поток постоянен и ТПВ передаются в осадки только кондукцией. В этом случае температуры на разных глубинах будут связаны одномерным уравнением теплопроводности [3]:

дТ , 2Т

а, к(2)—, (3)

ді ді2

дт

при граничных и начальных условиях: Т(і,0) = Т^ (і), —

= G, и

г=7

Т(ґо, і) = Тіп (і), где Т(і, і) - температура в осадках на разных глубинах, к(і) -температуропроводность осадков, G - глубинный градиент, Тіп (і) -

температура в момент времени іо.

Решение одномерного уравнения теплопроводности (3) для однородной среды (к - константа) и периодического верхнего граничного условия имеет вид:

Td (z, t; G,k) = Tq + Gz + ^ (An e~zO cospnt - zO) + Bn e~zO sinpnt - zO)) (4)

n=1

где O = л\т /(2k).

По формула (4) можно рассчитать средние стационарные значения стационарной (не нарушенной ТПВ) температуры Т0 в осадках на глубинах 10, 45, 80 и 115 см:

Тю см = 3,2380С, Т45 см = 3,2590С, Т80 „ = 3,3070С, ТП5 ™ = 3,3740С.

Эти значения сопоставлены с глубиной на рис. 4. Они составляют термограмму, которая показывает, что стационарные, не нарушенные климатическим сигналом, значения температуры увеличиваются с глубиной.

Аппроксимировав эти значения Т прямой линией, можно оценить значение глубинного геотермического градиента G = 115 мК/м. По нашим

многочисленным измерениям [1] теплопроводность (А) верхнего метрового слоя донных осадков составляет 0,9-1 Вт/(м*К). Соответственно тепловой поток (ТП= G*A) оценивается в 100-115 мВт/м2.

Рис. 4. Термограмма, составленная из ненарушенных значений температур, полученных в результате интерпретации данных долговременного мониторинга Т в осадках Телецкого озера на глубинах 10, 45, 80 и 115 см

Температура, °С

Таким образом, количественная интерпретации результатов длительного мониторинга температуры верхнего слоя осадков Телецкого озера привела к аномально высоким значениям геотермического градиента и теплового потока. Такие значения этих параметров характерны для оз. Байкал, где также имеются и другие следы геотермической активности недр (кайнозойский вулканизм, термальные источники). Однако ничего этого нет в районе Телецкого озера. Поэтому полученная оценка ТП требует основательной верификации. Планируется это сделать посредством рассмотрения более сложных моделей теплопереноса в осадочном слое и постановкой нового полевого эксперимента.

Благодарности. Авторы выражают благодарность А.Д. Дучкову за постановку задачи и помощь в работе. Работа проводилась при частичной поддержке в рамках междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 14 и Шведского фонда по международному сотрудничеству в науке и высшем образовании (the work was partly supported by the Swedish Foundation for International Cooperation in Research and Higher Education).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дучков, А. Д., Казанцев, С. А., Klerkx, J., Дучков, А. А.. Тепловой поток и температурное поле осадочного наполнения впадины Телецкого озера [Текст] / В: Buslov M.M. et al. (eds.) Physical and Geological Environment of Lake Teletskoye - Belgique. Annales - Sciences Geologiques. - Tervuren, 2001, Vol. 105, C. 283-301.

2. Дучков А.Д., Казанцев С. А. Аномальные изменения температурного режима дна (воды и осадков) Телецкого озера в осенне-зимний период [Текст] // Геология и геофизика. -2007. - Т. 48, № 12. - С. 1366-1370.

3. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел [Текст] / М.: Изд-во «Наука». -1964. - 487 с.

© А.А. Дучков, И.И. Фадеева, С.А. Казанцев, Ф. Андерссон, 2Q12