CC BY
29
УДК 551.46
ВЛИЯНИЕ ПОКРОВНОГО ОЛЕДЕНЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ ЗОНЫ СТАБИЛЬНОСТИ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ
Валентина Владимировна Малахова
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Исследовано влияние пассивного ледника на эволюцию многолетнемерзлых пород и зоны стабильности газогидратов (ЗСГ) п-ва Ямал с помощью численной модели теплопе-реноса в системе ледник-грунт. По данным моделирования показано, что покровное оледенение могло привести к возможности образования реликтовых газогидратов выше верхней границы ЗСГ. Разрушение ледника способствовало нарушению равновесных условий существования газовых гидратов в верхнем слое многолетнемерзлых пород (до 200 м). Однако последующее промерзание грунта могло стать причиной самоконсервации гидратов и их существования в метастабильном состоянии выше ЗСГ.
Ключевые слова: зона стабильности газогидратов, многолетнемерзлые породы, ледник, математическая модель, палеоклимат.
INFLUENCE OF GLACIERS ON THE GAS HYDRATE STABILITY ZONE
Valentina V. Malakhova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Researcher, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Influence of passive glacier on the of permafrost and gas hydrate stability zone (GHSZ) evolution Yamal peninsula examined using the model of heat transfer in the glacier-ground system. The results of mathematical modeling show that pressure factor caused by glaciation could have resulted to the formation of relic gas hydrates above the boundary of GHSZ in the periods of glacier existence. The destruction of the glacier leads to disruption of the equilibrium conditions for the existence of gas hydrates in the upper 200 m permafrost layer. However, the subsequent freezing of the soil could have resulted in self-preservation and the existence of hydrates in a metastable state near the earth's surface.
Key words: hydrate stability zone, permafrost, glacier, mathematical model, paleoclimate.
Введение. Зона стабильности газогидратов (ЗСГ) определяется термобарическими условиями на температуру и давление, при которых возможно устойчивое существование гидратов газа, в частности метана. В природе ЗСГ метана распространена в глубоководных осадках океанов и морей. В континентальных условиях месторождения газовых гидратов связаны преимущественно с областями многолетнемерзлых пород (ММП) в приполярных районах.
Широкое распространение газовых гидратов в зоне ММП дает возможность прироста запасов углеводородов, но может стать причиной и экологических проблем при нарушении условий их устойчивого существования. Поверхностные выбросы метана, которые происходят как постепенно, так и внезапно,
являются распространенным явлением на севере Западной Сибири. В частности, один из примеров таких выбросов - событие, которое произошло на полуострове Ямал в начале 2014 года, когда резкий прорыв газа привел к образованию крупной воронки диаметром около 40 м в 30 км к югу от границы Бова-ненковского месторождения [1]. Основным объяснением образования подобных воронок являются выбросы газа из криолитозоны в результате разрушения газогидратных залежей.
Причиной формирования метаногидратов в верхних слоях ММП может быть повышение давления на грунт, вызванное покровным оледенением или трансгрессией моря [2]. Основной задачей данного исследования является оценка термического режима континентальных ММП и реликтовых гидратов метана, находящихся под влиянием оледенения. Для решения поставленной задачи в настоящей работе предлагается развитие модели теплопереноса в грунте [3] для оценки состояния ММП и ЗСГ в условиях существования покровного оледенения в плейстоцене.
Методы численного моделирования. Рассматривается процесс распространения тепла в слое почвы на основе одномерной модели теплопереноса с учетом фазовых переходов [3]. Так как в настоящей работе мы исследуем континентальную криолитозону, в модели добавлен учет промерзания почвы под снегом. Тепловые характеристики снежного покрова оказывают существенное влияние на термическое состояние верхнего слоя грунта. Система уравнений теплопроводности записывается для среды, включающей снег, мерзлую и талую почву с условиями неразрывности температур на границах между слоями.
Для определения температуры мерзлых пород под ледником во время оледенения к разрезу добавляется верхний слой, представленный пассивным ледником высотой И1. Распространение тепла в слое льда также описывается уравнением теплопроводности:
с/Р/
дТ1 _ д_ д? дг
\ /
V & у
На нижней границе ледника тепло поступает за счет теплообмена с подстилающими породами, и граничное условие на нижней границе имеет вид
дт/ = хом дТо дг Х1 дг
В уравнениях принимают следующие обозначения: Т, Т0 - температура льда и грунта, С - теплоемкость льда, р 1 - плотность льда, X1 и Хом - коэффициенты теплопроводности льда и мерзлых пород, соответственно. В качестве верхнего граничного условия на поверхности ледника, при г = И1, задавалась температура воздуха. В начальный момент оледенения температура в леднике
определялась в условиях ее стационарного распределения. Численное моделирование проводилось при следующих коэффициентах: Х1 = 2,24 Вт/(мК),
= 2,05 Вт/(мК), С =2090 Дж/(кгК), р7 = 910 кг/м3, Н = 500-1000 м. Натурные измерения показывают, что в этом регионе почвы засолены. Так как точный закон изменения солености с глубиной неизвестен, в наших расчетах температура фазовых переходов принималась равной -1 °С [4].
При моделировании эволюции ЗСГ использовались уравнения равновесного существования газогидрата метана в талой и мерзлой среде [5]. В модели давление рассчитывалось как гидростатическое. На этапах покровного оледенения давление увеличивалось за счет дополнительного влияния ледника, а в ходе трансгрессий за счет дополнительной толщи воды.
В данной работе исследование эволюции ММП и ЗСГ метана проведено на примере юго-западной части полуострова Ямал. Численное моделирование заключалось в расчете поля температур в слое грунта глубиной 1 500 м, определении мощности многолетнемерзлых пород, верхней и нижней границ ЗСГ метана. Представленная численная модель была дополнена палеогеографическим сценарием, который представляет собой верхние граничные условия. Период моделирования составил последние 130 тысяч лет до настоящего времени. Рассмотренный палеогеографический сценарий включает два этапа пассивного оледенения: 95-80 (ледник мощностью 1 000 м) и 70-59 тысяч лет назад (ледник мощностью 500 м) [2]. И два этапа затопления данной территории морем (уровень 100 м) сразу после оледенения. В остальное время задавались суб-аэральные условия. На нижней границе был задан постоянный поток тепла 50 мВт/м2.
В ходе сценарного расчета в качестве верхних граничных условий для поверхности грунта или снежного покрова задавалась температура Та0 :
1. ТС0(1;) = ТА8 + ТР (;), субаэральные условия;
2. Т00(1) = Т1В (1), период оледенения;
3. Тс 0(;) = , период затопления морем.
где ТА8 - среднегодовая температура воздуха, ТА8 = - 10 °С, ТР (;) - аномалии приземной температуры воздуха на основе палеореконструкции по модели СЫМББК-2 [6] для данного региона, Т1В (;) - рассчитанная температура на подошве ледника, Т^ = -1,8 °С - температура придонной морской воды.
Обсуждение результатов. Проведенные расчеты показали значительное влияние снежного покрова на термическое состояние многолетнемерзлых грунтов. При моделировании учитывалась средняя высота снежного покрова 30 см, что привело к увеличению среднегодовой температуры поверхности грунта на 3-4 °С по сравнению с температурой воздуха.
Результаты моделирования показали, что многолетнемерзлые породы наибольшей мощности сформировались во время ледникового периода. Так, глубина нижней границы многолетнемерзлого слоя для последнего ледникового периода (20 тыс. лет назад) составила около 600 м (рис. 1).
Рис. 1. Модель эволюции мерзлоты и ЗСГ в субаэральных условиях 130-0 тыс. лет назад с учетом оледенения 95-80 и 70-59 тыс. лет назад:
1 - изменение нижней границы мерзлого слоя; 2 - верхней границы ЗСГ; 3 - граница ледника и уровня моря при трансгрессии
За счет повышения поверхностной температуры в период голоцена слой многолетнемерзлых пород деградировал, и глубина залегания его нижней границы составила порядка 500 м в конце расчета. Повышение температуры многолетнемерзлых пород происходит во время периодов покровного оледенения и трансгрессии моря (рис. 2). В результате мерзлый слой деградирует преимущественно снизу, и его мощность сокращается до 300 м.
Существование ледника высотой 500-1000 м привело к значительному увеличению толщины ЗСГ метана за счет барического фактора, роста давления (см. рис. 1). В эти периоды верхняя граница ЗСГ могла достигать земной поверхности. Периоды трансгрессии моря также способствовали подъему верхней границы зоны стабильности. Максимальное понижение этой границы получено в конце периода покровного оледенения, за счет резкого снижения давления и повышения температуры в слое мерзлых пород, мощность которых в этот период сокращается. Далее верхняя граница ЗСГ метана находится на глубине порядка 200 м в многолетнемерзлом слое грунта.
После снижения давления и нарушения условий стабильности возможен процесс поверхностной диссоциация газогидратов на газ и переохлажденную воду. Однако полученные экспериментальные данные показывают, что гидрат в поровом пространстве может длительное время находиться в метастабильном состоянии, что предполагает возможность существования реликтовых газогидратов при низких отрицательных температурах около -6 °С [7]. По результатам численного моделирования температуры пород в верхнем 200-метровом слое
составили ниже -7 °С (рис. 2). Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными для температур пород в мерзлых толщах севера Западной Сибири [7].
Время, тысяч лет назад
Рис. 2. Изменение среднегодовой температуры в грунте за весь период моделирования
Заключение. Результаты выполненных исследований показали, что газовые гидраты метана в слое ММП на полуострове Ямал могут существовать как в ЗСГ, на глубинах ниже 200 м, так и выше ЗСГ, в метастабильном состоянии. Без дополнительного тепла гидрат метана в этом состоянии может существовать долгие годы [2, 8]. Поэтому, поверхностные выбросы газа из верхних слоев ММП (до 100-150 м) на Севере Западной Сибири, в частности на Ямале, могут быть следствием разрушения порового гидрата метана, существовавшего в метастабильном состоянии. Причиной этого явления могут служить современные климатические изменения, которые приводят к существенному увеличению температуры ММП [9], а также влияние термокарстовых озер [10].
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов РФФИ (№ 15-05-02457А, № 17-05-00382А, № 17-05-00396А).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богоявленский В. И. Угроза катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала и Таймыра // Бурение и нефть. - 2014. - № 9. - С. 13-18.
2. Relic Gas Hydrate and Possibility of their Existence in Permafrost within the South-Tambey Gas Field / Е. М. Chuvilin, V. E. Tumskoy, G. S. Tipenko, А. V. Gavrilov, B. А. Bukhanov, Е. В. Ткачева, A. Audibert-Hayet, E. Cauquil // Conference proceedings. SPE Arctic and Extreme environments. - SPE 166925. - 2013. - P. 1945-1962.
3. Малахова В. В., Голубева Е. Н. Оценка устойчивости состояния мерзлоты на шельфе Восточной Арктики при экстремальном сценарии потепления в XXI в. // Лед и Снег. -2016. - Т. 56, № 1. - С. 61-72.
4. Галушкин Ю. И., Ситар К. А., Фролов С. В. Формирование и деградация криогенных толщ на Уренгойской и Куюмбинской площадях Сибири. Ч. 1 : Применение системы моделирования осадочных бассейнов ГАЛО // Криосфера Земли. - 2012. - Т. XVI, № 1. - С. 3-11.
5. Moridis G. J. Numerical studies of gas production from methane hydrates // Society of Petroleum Engineers Journal. - 2003. - V. 32, № 8. - P. 359-370.
6. Rahmstorf S. CLIMBER-2: A climate system model of intermediate complexity. Part I: Model description and performance for present climate / V. Petoukhov, A. Ganopolski, V. Brovkin, M. Claussen, A. Eliseev, C. Kubatzki // Climate dynamics. - 2000. - V. 16. - P. 1-17.
7. Буханов Б. А. Закономерности изменения теплопроводности газо- и гидратосодер-жащих пород при различных термобарических условиях : автореф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. - М., 2013. - 24 с.
8. Самоконсервация газовых гидратов / В. А. Истомин, В. С. Якушев, Н. А. Махонина, В. Г. Квон, Е. М. Чувилин // Газовая промышленность. Спец.выпуск: Газовые гидраты. -2006. - С. 36-46.
9. Аржанов М. М., Мохов И. И., Денисов С. Н. Влияние региональных климатических изменений на устойчивость реликтовых газовых гидратов // Доклады АН. - 2016. - Т. 468, № 5. - С. 572-574.
10. Малахова В. В. Моделирование субмаринных таликов на шельфе моря Лаптевых // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. - С. 120-124.
© В. В. Малахова, 2017
