CC BY
36
УДК 551.46
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА
Валентина Владимировна Малахова
Институт вычислительных технологий СО РАН, 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 представлены результаты математического моделирования динамики и распространения субаквальной мерзлоты на шельфе Восточной Арктики с учетом географического распределения величины геотермического потока. Получены оценки мощности слоя многолетнемерзлых пород на шельфе морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Глубина залегания нижней границы многолетнемерзлого слоя на шельфе составила порядка 50-700 м. Положение верхней границы мерзлоты в донных отложениях морей Восточной Арктики существенно зависит от глубины моря и содержания солей. В численном эксперименте получено, что верхняя граница мерзлых пород расположена на глубине 12 - 27 м ниже морского дна в зависимости от области шельфа. Повышенный поток тепла приводит к значительному уменьшению мощности мерзлого слоя на внешнем шельфе и в областях рифтов.
Ключевые слова: субаквальная мерзлота, многолетнемерзлые породы, Арктический шельф, газогидраты метана, зона стабильности газогидратов, геотермический градиент, поток тепла.
ESTIMATION OF SUBSEA PERMAFROST LAYER THICKNESS ON THE ARCTIC SHELF
Valentina V. Malakhova
Institute of Computational Technologies SB RAS, 6, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-64-50, e-mail: malax@sscc.ru
The paper presents the results of mathematical modeling of subsea permafrost dynamics and distribution on the Eastern Arctic shelf. The geographic distribution of the geothermal flow values was taken into account in this study. Estimates of the permafrost thickness on the Laptev and the East Siberian seas shelf were obtained. The depth of occurrence of the lower boundary of the frozen layer on the shelf was about 50-700 m. The position of the submarine permafrost upper boundary in bottom sediments of the seas of the Eastern Arctic substantially depends on the depth of the sea and the content of salts. It was found that the upper boundary of frozen rocks is located at a depth of 12-27 m below the seabed, depending on the shelf region. The increased heat flux leads to a significant decrease in the thickness of the submarine permafrost on the outer shelf and in the rift areas.
Key words: submarine permafrost, Arctic shelf, methane hydrates, hydrate stability zone, geothermal gradient, heat flow.
Введение
Субаквальная мерзлота шельфа Арктических морей представляет собой реликтовые континентальные мерзлые породы, которые формировались десят-
ки-сотни тысяч лет назад в периоды оледенений и отступания моря. Длительное воздействие низких атмосферных температур способствовало образованию многолетнемерзлых пород (ММП) мощностью до нескольких сотен метров. В результате повышения уровня океана, произошло затопление ММП [1]. Существование подводной мерзлоты в пределах мелководных шельфов морей Арктики создает условия для формирования газогидратных залежей при небольших водных глубинах менее 100 м [2]. Под влиянием относительно теплых и солёных морских вод мерзлые толщи медленно разрушаются, что может приводить к нарушению термобарических условий устойчивого существования газовых гидратов метана [3, 4].
Внимание к проблеме подводной мерзлоты в последние годы объясняется формированием высоких концентраций метана в морских водах и в атмосфере арктического региона [5]. Одной из причин повышенной эмиссии метана считается оттаивание многолетнемёрзлых пород и разрушение газогидратных залежей. В связи с возможным промышленным освоением шельфа наличие субак-вальных мерзлых пород является также причиной возможных инженерных рисков при освоении месторождений нефти и газа арктического шельфа. На основании этого необходимо изучение мощности, термического состояния и динамики многолетнемерзлых грунтов в условиях современных климатических изменений.
Достоверные сведения, полученные на основании буровых профилей, которые доказывают наличие субаквальных мерзлоты под дном Арктических морей, имеются в ограниченном количестве [6]. Отсутствуют данные исследований, фиксирующие мощности мерзлых отложений. Для изучения состояния субаквальной криолитозоны шельфа широко используется математическое моделирование [7-9]. Исследования на основе численного моделирования показали, что реликтовая мерзлота и газовые гидраты все еще могут существовать и в настоящее время на обширных участках Арктического шельфа [1, 10].
Используемые в настоящее время численные модели значительно различаются в исходных предположениях, в выбранных схемах развития палеогеографических событий и используемых представлениях о гидрогеологических особенностях шельфа и донных отложений, давая разные оценки мощности слоя мерзлых пород. Так, мощность ММП на внутреннем шельфе моря Лаптевых может достигать порядка 200-800 м по результатам разных моделей [1, 9,10].
Проведенные ранее исследования показали, что мощность многолетне-мерзлого слоя морей восточной Арктики сильно зависит от интенсивности потока тепла из земных недр [1, 10]. Так как для шельфа арктических морей данные измерений интенсивности теплового потока из недр земли практически отсутствуют, при моделировании величина потока принимается равной значениям для подобных тектонических структур других районов. При этом проводится серия расчетов с разными геотермическими потоками, заданными одинаковыми для всей области шельфа в диапазоне от 40 до 70 мВт/м . Для изучения
состояния ММП разломных зон и рифтовых структур учитывается значение теплового потока до 100-150 мВт/м .
Особенностью данного исследования является математическое моделирование состояния многолетнемерзлых пород морей восточной Арктики и зоны стабильности гидратов метана с учетом данных интенсивности теплового потока для всей области шельфа [11].
Методы численного моделирования
Район исследований - часть Арктического шельфа, включающая акватории двух шельфовых морей - Лаптевых и Восточно-Сибирского. Моделирование динамики мерзлых пород шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского проводилось с помощью математической модели, которая описывает перераспределение тепла в системе атмосфера - океан - донные отложения. Основой рассматриваемой модели теплопереноса для донных отложений является задача Стефана со смешанными краевыми условиями в одномерной постановке. Фазовые переходы происходят на границе промерзания с выделением двух зон, талой и мерзлой. На границе между мерзлыми и талыми породами (при этом в модели не налагаются какие-либо ограничения на число границ) используются условие равенства температуры грунта - температуре замерзания воды (с учетом ее солености). На нижней границе расчётной области донных отложений (г = 1500 м) используется условие соответствия градиента температуры величине геотермического потока. На верхней границе задано изменение температуры по времени в зависимости от условий, в которых находится область шельфа в данный момент, морских или субаэральных.
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 в [7, 10]. Так как в данной работе учитывается пространственное распределение геотермического градиента, палеогеографический сценарий строился для каждой точки шельфа.
Для оценки современного состояния подводной мерзлоты в качестве граничных условий задавалась температура придонной воды, полученная в результате расчётов по региональной модели Северного Ледовитого океана - Северной Атлантики ИВМиМГ СО РАН (СЛО-СА) [12]. Такой подход позволяет проанализировать не только временные, но и пространственные изменения в состоянии многолетнемерзлых пород на шельфе восточных сибирских морей, а также выделить области наиболее чувствительные к возможным климатическим изменениям.
В настоящем исследовании учитывается влияние солености поровых вод на температуру начала оттаивания - замерзания грунта. Мы исходим из предположения, что за время затопления шельфа морской водой происходит засоления
верхнего слоя донных отложений, и глубина засоления зависит от времени трансгрессии [13].
Одновременно с вычислением термического состояния донных отложений в модели вычисляются термодинамические границы зоны стабильности газогидратов метана с использованием соотношения из модели TOUGH+HYDRATE [14].
Обсуждение результатов
Предыдущие расчеты [10] показали, что при заданном одинаковом геотермическом потоке основным фактором, определяющим мощность подводной мерзлоты на шельфе Арктики, является глубина моря, как характеристика времени пребывания участков шельфа в субаквальных условиях от начала трансгрессии.
Полученная в данном исследовании карта положения нижней границы ММП для морей Восточной Арктики приведена на рис. 1а. Глубина залегания нижней границы многолетнемерзлого слоя на шельфе составляет порядка 50-700 м. Нижняя граница слоя мерзлых пород поднимается с увеличением расстояния от берега и глубины моря, но также зависит от заданного потока тепла, что приводит к значительному уменьшению мощности ММП не только на внешнем шельфе, но и в районах рифтов. К таким районам можно отнести северовосточную часть моря Лаптевых, центральную и северную области ВосточноСибирского моря, где подошва ММП находится на глубине 50-100 м. Для большей части шельфа характерна интенсивность потока тепла 60-70 мВт/м , что способствует залеганию нижней границы ММП на 400-500 м под морским дном.
Положение верхней границы ММП в осадочных разрезах морей Восточной Сибири существенно зависит от содержания солей. В численном эксперименте получено, что верхняя граница мерзлых осадков расположена на глубине 12-27 м ниже морского дна в зависимости от области шельфа, рис. 1 б. В связи с неравномерностью засоления шельфа, которое определяется временем затопления и распределением солености в придонном слое воды, кровля мерзлоты понижается в направлении от берега, что приводит к дополнительному сокращению толщины ММП на внешнем шельфе.
Подобно динамике подошвы слоя мерзлых пород, динамика залегания нижней границы зоны стабильности газовых гидратов (ЗСГГ) зависит от значений геотермического потока и современной глубины шельфа, рис. 2а. Влияние дополнительного давления за счет столба воды способствует незначительному увеличению мощности ЗСГГ на внешнем шельфе. Повышенная интенсивность потока тепла в рифтовых структурах приводит к отсутствию условий образования газогидратов в северной части моря Лаптевых. Положение верхней границы ЗСГГ метана в донных отложениях шельфа зависит от глубины моря, рис. 2б. Она расположена на 120-220 м ниже морского дна, что делает газовые гидраты изолированными слоем мерзлых пород.
■ 700
600
500
400
300
200
100
I28 126
Г
22
20 18 ■16 14 12
а
б
Рис. 1. Модель эволюции подводной мерзлоты на шельфе морей Восточной Арктики:
а - положение нижней границы мерзлых пород в донных отложениях (в м); б - положение верхней границы мерзлых пород от морского дна (в м).
220 200 180 160 140 120 100
а
б
Рис. 2. Модель эволюции ЗСГГ на шельфе морей Восточной Арктики:
а - положение нижней границы ЗСГГ метана в донных отложениях (в м); б - положение верхней границы ЗСГГ метана от морского дна (в м).
Заключение
Согласно проведенным расчетам толщина многолетнемерзлых пород и зоны стабильности метангидратов на шельфе морей Восточной Арктики зависит от величины потока тепла из земных недр и современной глубины моря, чем больше глубина, тем меньше мощность ММП и ЗСГГ. Повышенный поток тепла приводит к значительному уменьшению мощности мерзлого слоя на внешнем шельфе и в областях рифтов. На внешнем шельфе моря Лаптевых получено прерывистое распространение ММП, как следствие высоких значений потока тепла.
Положение верхней границы ММП в донных отложениях морей Восточной Арктики существенно зависит от глубины моря и содержания солей. В чис-
ленном эксперименте получено, что верхняя граница мерзлых пород расположена на глубине 12 - 27 м ниже морского дна в зависимости от области шельфа.
Работа выполнена при поддержке проектов РФФИ (№17-05-00396, №1705-00382, 18-05-00087). Результаты, связанные с моделью субаквальной мерзлоты шельфа получены в рамках проектов 0315-2018-0016 и 0315-2016-0004.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. Елисеев А.В., Малахова В.В., Аржанов М.М., Голубева Е.Н., Денисов С.Н., Мохов И.И.. Изменение границ многолетнемёрзлого слоя и зоны стабильности гидратов метана на арктическом шельфе Евразии в 1950-2100 гг. // ДАН. - 2015. - Т. 465. - № 5. - С. 598-603.
3. Щербаков А.В., Малахова В.В. Моделирование пространственного распределения метангидратов Мирового океана и потока метана в атмосферу // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т. 19. - №6. - С. 530-535.
4. Reagan, M., Moridis, G. Dynamic response of oceanic hydrate deposits to ocean temperature change // J. Geophys. Res.: Oceans. - 2008. - V. 113 (C12). - C12023.
5. Shakhova N., Semiletov I., Leifer I., Sergienko V., Salyuk A., Kosmach D., Chernikh D., Stubbs Ch., Nicolsky D., Tumskoy V., Gustafsson O. Ebullition and storm-induced methane release from the East Siberian Arctic Shelf // Nat. Geosci. - 2013. - V. 7. - P. 64-70.
6. Brothers, L. L., Hart P. E., Ruppel C. D. Minimum distribution of subsea icebearing permafrost on the U.S. Beaufort Sea continental shelf // Geophys. Res. Lett. - 2012. - V. 39. - L15501.
7. 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.
8. Portnov A., Mienert J., Serov P. Modeling the evolution of climate sensitive Arctic subsea permafrost in regions of extensive gas expulsion at the West Yamal shelf // J. Geophys. Res.: Biogeosciences. - 2014. - V. 119 (11). - P. 2082-2094.
9. 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.
10. Malakhova V.V., Eliseev A.V. The role of heat transfer time scale in the evolution of the subsea permafrost and associated methane hydrates stability zone during glacial cycles // Glob. Planet. Change. - 2017. - V. 157. - P. 18-25.
11. Davies J. H. Global map of Solid Earth surface heat flow // Geochem. Geophyst. Geosyst. - 2013. - V. 14. - № 10. - P. 4608-4622.
12. Голубева Е.Н., Платов Г.А. Численное моделирование отклика Арктической системы океан-лед на вариации атмосферной циркуляции 1948 - 2007 гг. // Известия РАН. ФАО. -2009. - Т. 45. - №1. - С. 145-160.
13. Голубева Е.Н., Малахова В.В., Платов Г.А., Крайнева М.В., Якшина Д.Ф. Динамика и тенденции изменения состояния вод и криолитозоны моря Лаптевых в ХХ-ХХ1 в. // Оптика атмосферы и океана. - 2017. - Т. 30. - № 06. - С. 529-535.
14. Moridis G. J. Numerical studies of gas production from methane hydrates // Society of Petroleum Engineers Journal. - 2003. - V. 32. - № 8. - P. 359-370.
© В. В. Малахова, 2018
