<Современное состояние и эволюция криолитозоны и зоны стабильности газовых гидратов на арктическом шельфе Восточной Сибири в позднем кайнозое>

Глава 5.

В пятой главе рассмотрены постановка задачи математического моделирования эволюции толщ ММП и ЗСГГ, краевые условия и допущения, принятые при моделировании. Приведены результаты моделирования и выполнено их сравнение с имеющимися натурными данными.

Основой математической модели служит энтальпийная формулировка задачи Стефана, со смешанными краевыми условиями, в одномерной постановке. Принималось, что все фазовые переходы происходят на фронте промерзания, то есть, выделяются две зоны: талая и мерзлая. На верхней границе модели задавалось изменение температуры- t_ср во времени (в соответствии с реконструированными палеотемпературными кривыми), что соответствует краевым условиям I-го рода. При расчетах было принято, что в момент затопления шельфа морем tср в любом пункте сменяется на t_дн, равную -1,8^оС (см. рис. 2Б). В момент отступания моря t_дн скачком меняется на t_ср, характерную для соответствующих широты и времени на суше (Романовский и др., 1997а). Температура замерзания морских осадков и континентальных отложений, насыщенных морской водой, принималась, равной -2,0^оС. На нижней границе задавался геотермический градиент. В качестве начальных условий задавалось стационарное распределение температуры по глубине в соответствии с тепловым потоком и теплопроводностью пород. Для расчетов использована программа, в которой данная модель реализована методом конечных разностей (Типенко и др., 1999).

В используемой модели учитываются такие процессы, как: изменение термобарических условий, задаваемых по любому закону на поверхности земли; процессы кондуктивного теплообмена и фазовых переходов вода ↔ лед и (вода + газ) ↔ газогидрат, включая изменения свойств пород; динамику формирования и\или диссоциации газовых гидратов в газовой/ газогидратной залежи при изменении термобарических условий в системе. Модель позволяет изучать пространственную неоднородность температурных полей, определяемую выделением (поглощением) тепла при фазовых переходах (вода + газ) ↔ газогидрат и изменением свойств талых и мерзлых газосодержащих отложений, а также их динамику во времени. В расчетах использована равновесная кривая гидратообразования метана в пористой среде (Чувилин и др., 2000).

В модели автором приняты следующие допущения: - температурная зональность в прошлом соответствовала современной мерзлотно-температурной зональности; - неизменность топографии морского дна; - полное газонасыщение пород внутри залежи; - вся вода в залежи связывается при гидратообразовании. Модель не учитывает: - изменение объема залежи при переходе в гидратную форму и связанное с этим изменение давления в системе и миграцию газа при гидратообразовании; - эффект криогенной самоконсервации ГГ; - влияние солености поровых вод на процесс гидратообразования.

Автором была произведена большая серия расчетов по одномерным задачам, для пунктов с различной глубиной моря и широтным положением на шельфе. Сложное тектоническое и геологическое строение и слабая изученность исследуемой территории привели к необходимости упрощения строения разреза при его формализации. При моделировании использовалось два гипотетически упрощенных разреза. Первый, характерный для условий отрицательных неотектонических структур, представлен рыхлыми кайнозойскими отложениями. Второй, характерный для поднятий, представлен в основном скальными и полускальными породами раннего кайнозоя. Теплофизические характеристики отложений принимались по литературным данным (Балобаев и др., 1983; Балобаев, 1991; Теплофизические свойства , 1984; Основы геокриологии, 2001; и др.) в обобщенном виде по соответствующим типам отложений. Известно, что теплоемкость ГГ незначительно отличается от теплоемкости льда (Dvorkin et al., 2000). Поэтому при моделировании теплоемкость отложений, насыщенных ГГ, принималась равной теплоемкости данных отложений в мерзлом состоянии. Теплопроводность ГГ намного меньше, чем теплопроводность льда (Dvorkin et al., 2000; Истомин, Якушев, 1992; и др.). По данным А.Г.Гройсмана (1985) при одной и той же влажности коэффициент теплопроводности кварцевого песка, насыщенного ГГ, примерно на 70 % меньше коэффициента теплопроводности мерзлого песка. Исходя из этого, теплопроводность содержащих ГГ отложений в расчетах принималась на 70 % меньше теплопроводности отложений в мерзлом состоянии. Теплоемкость и теплопроводность талых газо-насыщенных отложений задавались такими же, как и для талых отложений, насыщенных водой. Это допущение связано с тем, что на данном этапе исследований мы не можем оценить такие параметры, как количество газа, которое содержится в растворенном виде и в пузырьках и их влияние на теплофизические характеристики отложений. При подборе теплофизических характеристик учитывалась совокупность таких свойств, как плотность, влажность и засоленность отложений. Инженерно-геологические характеристики отложений, выбирались на основании данных, приведенных в работах (Грунтоведение, 1983; Инженерная геология СССР, 1990; Катасонов, Пудов, 1972; Кошелева, Яшин, 1999) так же в обобщенном виде по соответствующим типам отложений. Верхняя часть разреза, до глубины 750 м, принималась засоленной. Кривые незамерзшей влаги для мерзлых отложений в условиях изменяющихся температур, использованные при моделировании, были заимствованы из работы "Фазовый состав влаги в мерзлых породах" (1979). Результаты расчетов оформлялись графически в виде многочисленных графиков изменения температурного поля, мощности мерзлых толщ и положения ЗСГГ во времени для различных глубин моря и широт.

Результаты моделирования показали, что эволюция толщ ММП и ЗСГГ имеет следующие основные закономерности: - мощности толщ ММП и глубина залегания нижней границы ЗСГГ зависят от значений q_вз, поступающего из недр земли; - мощности толщ ММП и глубина залегания нижней границы ЗСГГ на шельфе увеличиваются к северу на одной и той же глубине моря, как результат проявления мерзлотно-температурной зональности на этапах регрессии моря; - мощности толщ ММП и ЗСГГ зависят от современных глубин моря: чем больше глубина, тем меньше мощность.

При затоплении шельфа морем и повышении t_ср до t_дн происходит повышение температуры толщи реликтовых ММП, образование безградиентного температурного поля, и начинается их протаивание снизу под влиянием q_вз. При осушении шельфа (при прочих равных условиях) темп промерзания скальных и полускальных пород выше, чем нелитифицированных кайнозойских отложений. В результате конечная мощность толщи ММП на конец этапа аградации в первом случае больше, чем во втором. При затоплении шельфа морем скорость деградации мощности скальных мерзлых толщ выше, чем дисперсных. Поэтому мощности первых испытывают (при прочих равных условиях) большие изменения, чем вторых. Другими словами, на арктическом шельфе, толщи мерзлых скальных и полускальных пород более динамичны, чем толщи мерзлых дисперсных менее литифицированных пород. Изменения мощности толщ ММП возрастают от внутренних частей шельфа к периферии.

С использованием полученных результатов была создана серия схематических карт фоновой мощности ММП и глубин залегания нижней поверхности ЗСГГ на современный этап времени. Карты строились для фоновых значений q_вз, равных 50 и 70 мВт/м² и для каждого из разрезов отдельно. Карты составлялись следующим образом: для выбранных пунктов шельфа, находящихся на разных глубинах и в различных географических координатах, создавались палеотемпературные кривые и рассчитывались одномерные задачи. С расчетных графиков брались конечные значения, на настоящий этап времени, мощностей толщ ММП и глубин залегания нижней поверхности ЗСГГ. По ним на шельфе выделялись зоны с одинаковыми интервалами значений указанных величин. Результаты расчетов позволяют составить такие карты на любой момент времени в интервале от современности до 400 тысяч лет назад. Однако достоверность данных расчетов, а, следовательно, и схематических карт, уменьшается от настоящего времени в глубь веков из-за меньшей обоснованности палеогеографического сценария и большего влияния принятых допущений. Примеры таких карт приведены на рисунках 3 и 4.

На основе сопоставления построенных карт были выделены внутренняя и внешняя зоны шельфа. Во внутренней зоне имеет место сплошное распространение толщ ММП, сохранявшееся и в периоды трансгрессий моря. Во внешней зоне шельфа в конце эпох трансгрессий толщи ММП приобретали прерывистое распространение: массивы мерзлых пород существуют в блоках литосферы с q_вз равным 50 мВт/м² и менее, но отсутствуют при q_вз 70 мВт/м² и более. Подобные мерзлотные условия существуют здесь и в настоящее время (рис. 3). Здесь в литосферных блоках с повышенными значениями теплопотоков породы имеют отрицательные значения температур и находятся в охлажденном состоянии. Формально они хоть и входят в состав субмаринной криолитозоны, однако, по состоянию пород, являются субмаринными таликами.

В работе впервые показано, что в регионе повсеместно распространена ЗСГГ (рис.4). На низменностях она существует непрерывно в течение, по крайней мере, последних 400 тысяч лет. На шельфе ЗСГГ, в настоящее время, существует везде, где распространены сплошные реликтовые мерзлые толщи от 300 м и более. Она имеет большую мощность, чем толщи ММП. Её нижняя поверхность расположена ниже подошвы мерзлой толщи, а верхняя находится внутри толщи ММП. Верхняя поверхность ЗСГГ может рассматриваться как условная или возможная граница зоны криогенной консервации ГГ в мерзлой толще.

Результаты моделирования показали, что в многолетней динамике мощностей толщ ММП и ЗСГГ существует как сходные черты, так и заметные различия. Последние нарастают в направлении от внутренней (прибрежной) зоны шельфа к его периферии. Это обусловлено, во-первых, уменьшением к периферии шельфа продолжительности этапов аградации и увеличением этапов деградации; во-вторых, увеличением дополнительного давления, вызываемого колебаниями уровня моря в регрессивно-трансгрессивные циклы. Наиболее различным является состояние реликтовых мерзлых толщ и ЗСГГ во внешней части шельфа. Здесь мерзлая толща или протаяла, или находится в состоянии деградации, а ЗСГГ - в состоянии аградации (рис. 5). Тем самым, последняя, видимо, блокирует эмиссию подземных парниковых газов, через сквозные субмаринные эндогенные талики.

В целом наличие толщ ММП и ЗСГГ блокируют эмиссию природных газов, накапливающихся на шельфе в подмерзлотных горизонтах пород. Их эмиссия могла периодически происходить во внешней половине шельфа в результате образования сквозных эндогенных субмаринных таликов, происходившего в конце этапов трансгрессий моря.