Реликтовый термокарстовый рельеф и талики восточной части шельфа моря Лаптевых

Глава 5. Формирование подозерных таликов и их эволюция в субмаринные в восточной части шельфа моря Лаптевых в позднем неоплейстоцене - голоцене.

В пятой главе рассмотрены постановки задачи математического моделирования эволюции субмаринных таликов, краевые условия и допущения, принятые при моделировании. Приведены результаты моделирования и выполнено их сравнение с имеющимися фактическими данными.

На первом этапе моделировалось формирование термокарстового озера и образование подозерного талика на суше до момента затопления морем.

Предпосылкой к настоящим исследованиям послужила работа В.Е. Тумского (2002), в которой были оценены темпы и продолжительность протаивания отложений ледового комплекса разной мощности и льдистости под термокарстовыми озерами, определены мощности образующихся подозерных таликов и их динамика во времени в зависимости от различных условий.

Для расчетов использовалась программа, созданная Г.С. Типенко. Решалась задача теплопроводности типа Стефана со смешанными краевыми условиями, в двумерной осесимметричной постановке. В модели принималось, что в ходе промерзания и протаивания отложений формируется граница раздела фаз и все фазовые переходы происходят на ней. Не учитывались образование зоны фазовых переходов, что характерно для дисперсных грунтов, и миграция влаги из талой зоны в мерзлую.

Автором была проведена серия расчетов по выше упомянутой программе. Математическое моделирование проводилось для современных изобат 20, 25, 40, 45 метров и широт от 73^o с.ш. до 76^o с.ш. в меридиональном направлении. К настоящему времени появились новые данные по реконструкциям среднегодовых температур воздуха и пород для позднего неоплейстоцена и голоцена, а также модель поздненеоплейстоцен-голоценовой трансгрессии, созданная А.В. Гавриловым (2008). Модель учитывает развитие криогенных процессов (термокарста, термоабразии и др.), изменявших рельеф шельфа и ход трансгрессии. Поэтому моделирование, проведенное автором, подтвердило ряд выводов и уточнило результаты В.Е. Тумского, а также послужило основой для дальнейших исследований по этой тематике.

Развитие термокарстового озера в модели рассматривалось как стадийный процесс. Первая стадия - протаивание отложений ледового комплекса, сопровождавшееся термоабразионным расширением термокарстового озера и накопление на дне таберальных отложений. Вторая стадия - формирование подозерного талика в подстилающих отложениях. Третья стадия учитывала затопление котловины в ходе послеледниковой трансгрессии.

Вертикальные размеры расчетной области во всех расчетных вариантах расчетов составляли 3000 м, горизонтальные - 3200 м. Количество узлов сетки 1525õ196.

Зарождение термокарстового озера задавалось в левом верхнем углу расчетной области и производилось путем изменения температуры в соответствующем узле сетки с отрицательного фонового значения (в предыдущий момент времени) на 0^o С. При этом учитывались одновременно два процесса: 1) оттаивание отложений ледового комплекса приводило к осадкам поверхности, обводнению и сопровождалось формированием на дне озера таберальных образований (на этой стадии их мощность соответствовала мощности подозерного талика); 2) после полного протаивания отложений ЛК происходило формирование талика в подстилающих отложениях.

Слой воды в озере рассматривался как "прозрачный" для теплового потока сверху. Поэтому в расчетной схеме, чтобы не менять ее геометрию, этому слою были присвоены следующие характеристики: λ = 100 Вт/м*К; Q_ф = 0. Это позволило задавать температуру на дне озера, путем задавания ее на его поверхности. Температура воды увеличивалась в озере во времени от 0 до +2^oС (Анисимова, 1966; Burn, 2003). Одновременно с углублением озера учитывалось его термоабразионное расширение. Скорость расширения озера за счет термоабразии была выбрана как средняя современная, характерная для термокарстовых озер и равная 0,5м/год, (Чижов, 1972).

Для решения осесимметричной задачи принят радиус озера 1500 м., как средний характерный для изучаемого района (Чижов, 1972; Тумской, 2002; см. гл. 4).

В тектоническом отношении изучаемый район приурочен к Усть-Ленскому рифту, часть котловин расположено над разломными зонами, другие над ненарушенными блоками. Принимаемый геологический разрез основан на данных многоканального сейсмоакустического профилирования (Драчев, 2000). Выделялись (снизу вверх) по разрезу: мел-кайнозойские слабосцементированные отложения, толща четвертичных отложений, в которых отдельно выделялись отложения ледового комплекса. Теплофизические характеристики отложений принимались по литературным данным (Балобаев, 1991; Теплофизические свойства..., 1984) в обобщенном виде (см. табл. 3). Мощность отложений ЛК принималась равной 30 м. Теплоемкость отложений ЛК назначалась по их льдистости (80%). При подборе характеристик таберальных образований учитывалась совокупность таких свойств как плотность, влажность, пластичность, пористость (Геокриология, 1989).

За начальный момент времени принималось время 20 т.л.н. Считалось, что на шельфе уже существовали ММП определенной мощности. В начальный момент времени распределение температуры рассчитывалось исходя из среднегодовой температуры на верхней границе расчетной области с учетом величины градиента температур, заданного на нижней границе.

Верхние граничные условия задавались в виде изменения температуры пород во времени по А.В.Гаврилову (2008) и температуры донных отложений (граничные условия I-го рода).

Для образования озера температура на верхней границе принимала значение в соответствии с температурной кривой. Началом массового образования термокарстовых озер было принято время 14,7 кал.т.л.н. (12,5 тыс.л.н. по ¹⁴С). После образования термокарстового озера температура на верхней границе в его пределах задавалась азонально и изменялась с течением времени. Вне озера температура изменялась в соответствии с палеотемпературной кривой, в которой учитывалось широтное положение термокарстового озера.

После затопления котловины морем в определенный момент времени (в зависимости от изобаты, на которой было расположено озеро), температура на верхней границе модели принимала значение температуры морской воды, равной -1,8^oС.

На нижней границе модели задавался геотермический градиент (граничные условия II рода). Тепловой поток изменялся в зависимости от геоструктурного положения котловин. В ненарушенных блоках он составлял 60 мВт/м², а в зонах разломов - 100 мВт/м² (Drachev et al., 2001). На боковых границах модели задавался геотермический тепловой поток q равный нулю (граничные условия II рода).

При моделировании были приняты следующие допущения: 1) зональность в период трансгрессии соответствовала современной мерзлотно-температурной зональности; 2) изменение температуры пород на температуру дна происходит скачкообразно; 3) отложения разреза считались незасоленными.

Результаты расчетов представлены в виде графиков и кривых динамики подозерных таликов для ненарушенных блоков и разломных зон в разные моменты времени для широт 73^o, 74^o, 75^o и 76^o с.ш., при различных глубинах моря: 20 м, 25 м, 40 м, 45 м и приведены в таблице 2. За мощность подозерного талика принималась суммарная мощность таберальных образований и талых пород ниже подошвы ЛК.

Табл. 2. Динамика мощности подозерных таликов.
	Ненарушенные блоки q = 60 мВт/м2				Зоны разломов q =100 мВт/м2
	73o	74o	75o	76o	73o	74o	75o	76o
	20 м	25 м	40 м	45 м	20 м	25 м	40 м	45 м
Мощности подозерных таликов, м	65	55	47	40	Сквозной талик	Сквозной талик	60	45
Мощность КЛЗ под озером/вне озера в момент затопления, м	580/615	650/675	720/735	785/790	0/260	0/275	250/340	275/365

Результаты моделирования показали, что с 73^o с.ш. по 76^o с.ш прослеживается уменьшение мощности несквозных подозерных таликов с юга на север. Причинами полученной закономерности послужили широтная мерзлотно-температурная зональность в период субаэрального развития шельфа, а также различное время затопления термокарстовых озер. По результатам моделирования сквозные талики расположены на 73-74^o с.ш. на участках с повышенными значениями теплового потока (q=100 мВт/м²). Максимальными принимались мощности подозерных таликов к моменту затопления озера морем, когда температура скачкообразно понижалась с положительной до -1,8^oС.

На втором этапе исследований, для полученных максимальных мощностей несквозных подозерных таликов на момент затопления по результатам решения задачи первого этапа, проводилось моделирование трансформации подозерных таликов в талики "термокарстовых лагун" и в субмаринные, при изменении фазового состояния отложений и их температурного режима с момента затопления до современности. Основная задача, поставленная на данном этапе исследований, заключалась в оценке величины вторичного промерзания отложений подозерных таликов снизу за счет "запасов холода" из окружающих мерзлых пород при изменяющихся внешних условиях.

Для этих целей использовалась программа "HEAT" (Емельянов и др., 1994). В основе программы заложено решение нестационарного нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности методом конечных разностей. Выбор программы был связан с возможностью моделирования фазовых переходов при разной температуре, для случая оттаивания и промерзания грунтов с неоднородной в пространстве засоленностью. Засоление верхних горизонтов (таберальных образований и озерных отложений) задается скачкообразно в момент затопления. Дальность переноса хлористого натрия диффузионным потоком определялась по С.И. Смирнову (1974; формулы I.27, I.28). Оценки по абсолютной величине продвижения фронта за промежуток времени 100 лет показали, что глубина диффузионного проникновения соли сравнима с мощностью таберальных образований и озерных отложений (15 м). Кроме того, по результатам моделирования по программе Г.С.Типенко установлено, что через 100 лет после затопления котловины морем, незасоленные отложения талика, подстилающие таберальные образования, промерзают снизу из мерзлых толщ на 7-8 м. Следовательно, промерзание талика на полную мощность за выбранный интервал времени не происходит. Поэтому автором принимается допущение о "мгновенном" засолении, учитывая в заданных свойствах выбранного разреза, что засоленность отложений (на примере Ивашкиной лагуны) с глубиной уменьшается.

Кроме того, проводилась оценка влияния конвективной составляющей теплопереноса на динамику промерзания-оттаивания несквозных таликов под морем. При затоплении морскими водами озер и несквозных подозерных таликов в теле талика могут возникнуть конвективные процессы нисходящей фильтрации соленых морских вод, которые вытесняют вверх пресные подземные воды. В качестве критерия, характеризующего соотношение конвективной и кондуктивной составляющей, автор использовал безразмерный критерий Пекле (Мироненко, Румынин, 1998; Шестаков, 2007) (формулы: 2.10, 2.21). Для несквозных таликов с мощностью до 65 м и коэффициентами фильтрации, характерными для слабопроницаемых пород, величина критерия меньше 1, что дало автору право пренебречь конвективным переносом тепла. При расчетах для сквозных таликов критерий Пекле был больше 1, следовательно, вклад конвективного переноса соизмерим с кондуктивным.

Решалась осесимметричная задача. Линейные размеры модели, принятой на первом этапе, были уменьшены через критерий подобия Фурье. На верхней границе расчетной области задавались две группы граничных условий I рода - среднегодовая температура донных отложений -1,8^oС над таликом и среднегодовая температура на поверхности пород ЛК по кривой А.В Гаврилова. Изменение верхних граничных условий на поверхности отложений ЛК моделировалось в зависимости от хода трансгрессии. На нижней границе задавалось граничное условие II рода - постоянный во времени тепловой поток равный 60 и 100 мВт/м². На боковых границах был задан тепловой поток равный нулю (граничное условие II рода).

По результатам решения задачи по программе Г.С Типенко были получены начальные температурные поля к моменту затопления, мощности КЛЗ и таликов. Определено, что из отложений ЛК (мощностью 30 м, льдистостью 80%) формируется 6 м таберальных образований. Мощности озерных отложений рассчитывались на основании данных о скоростях осадконакопления в термокарстовых озерах (1,5-2,5 мм/год (Морозова, 2009)) и составили 4-5 м. Принималось, что озерное осадконакопление происходило со времени полного оттаивания ЛК до затопления котловины морем. Над озерными отложениями, задавался слой, "прозрачный" для теплового потока сверху (по аналогии с задачей, решаемой на первом этапе). При накоплении лагунных, прибрежно-морских и морских отложений свойства основания этого слоя менялись на характеристики соответствующих отложений. Считалось, что лагунное осадконакопление продолжалось с момента накопления озерных, до момента погружения окружающих территорий (останцов ЛК) под уровень моря. Мощность лагунных отложений 10 м, (задавалась по суммарной мощности озерно-лагунных отложений, которая составила 9-17,5 м (см. Главу 4)). Осаждение прибрежно-морских осадков принималось со времени, когда уровень моря над останцами ЛК был равен 20 м. Время накопления морских отложений корректировалось данными Т.С.Клювиткиной (2007) и Bauch et al. (2001). В нижней части разреза автором принимался условный геологический разрез, представленный рыхлыми кайнозойскими отложениями, аналогичный первому этапу моделирования. Свойства верхней части разреза, представленной таберальными, озерными и лагунными отложениями принимались на основании лабораторных данных по Ивашкиной лагуне (Чеверев и др., 2007); свойства морских донных осадков получены по данным бурения в районе м. Мамонтов Клык предоставлены М.Н.Григорьевым (табл. 3).

Табл. 3. Состав и свойства отложений, принятые для моделирования влияния засоления верхних горизонтов разреза на динамику мощностей субмаринных таликов
Группы свойств	Глубины, м	Состав отложений	Генезис	Dsol	Wtot,	λ, Вт/(м*град)		Соб, Вт*ч/(м3*град)		Wнв, д.е (при t = -10 град)	Qф (*105), Вт*ч/м3	Тнз, град
				%	д.е	λм	λт	Соб м	Соб т
1	0-30	легкие, пылеватые супеси	ЛК	0	0,8	1,96	0,59	464	1162	0	89280	0
2	0-10(море)	суглинки, пески	морские, прибрежно-морские m, pm QIV	2	0,4	1,55	1,36	597	750	0,15	25575	-2,8
3	10-20 (лагуна)	суглинки, глины	лагунные, lmQIV	1,2	0,38	1,6	1,2	389	564	0,12	21762	-1,84
4	20-24 (озеро)	суглинки	озерные, lQIII2-3	1,0	0,3	1,85	1,15	348	546	0,10	24180	-1,86
5	24-30 (озеро)	супеси	таберальные, tQIII2-3	0,7	0,3	2,21	1,67	332	463	0,08	25389	-1,26
6	30-100	суглинки, супеси	Q - QIV	0	0,25	2	1,3	556	750	0	33713	0
7	100-3000	алевролиты	N2 3 -Q	0	0,10	2,5	2,3	417	528	0	15345	0

Допущения: - засоление таберальных образований и озерных отложений принималось "мгновенным"; - диффузия и миграция солей в мерзлых породах не учитывалась; - плотностная конвекция не учитывалась; - накопление лагунных, прибрежно-морских и морских отложений задавалось скачкообразно к началу накопления следующего типа отложений; - не учитывалось термоабразионное разрушение останцов ЛК в процессе затопления.

Результаты моделирования представлены в таблице 4.

Табл. 4. Динамика промерзания подошвы несквозных таликов в восточной части шельфа моря Лаптевых (по центральной части котловин).
Широты (изобаты)	Изменение палеогеографических обстановок на верхней границе модели
	q = 60 мВт/м2			q = 100мВт/м2
	До затопления озера	Под термокарстовой лагуной	Под морем	До затопления озера морем	Под термокарстовой лагуной	Под морем
730(20 м)	8,5/65*	7,9/35	5,8/29	8,5/сквозной	сквозной	сквозной
740 (25 м)	8,7/55	8,2/33	6,2/28	8,7/сквозной	сквозной	сквозной
750 (40 м)	9,6/47	8,6/29	6,8/25	9,6/60	8,6/30	7,4/29
760 (45 м)	10,2/40	9/26	7,4/24	10,2/45	9/30	7,4/26
* Время изменения палеогеографических обстановок, тыс л.н / мощность талика, м

По результатам проведенного моделирования на втором этапе исследований можно сделать следующие выводы.

1. Факторами, существенно влияющими на глубину вторичного промерзания отложений таликов, являются: мощность талика, засоленность отложений разреза и среднегодовая температура окружающих пород к моменту затопления. Промерзание несквозных подозерных таликов при затоплении морем проходило одновременно с продолжающимся охлаждением незатопленных участков суши.

2. Изменение палеогеографических обстановок на поверхности приводит к неравномерным скоростям промерзания таликов снизу. На стадии термокарстовой лагуны осредненные скорости промерзания составляют 4-5 см/год. В процессе затопления прилегающих территорий (останцов ЛК) до начала прибрежно-морского и морского осадконакопления скорости промерзания уменьшаются до 0,5-0,8 см/год. После полного заполнения котловин осадками скорости промерзания снизу уменьшаются до 0,05-0,15 см/ год. В среднем, по всем расчетным вариантам промерзание отложений талика до подошвы засоленных таберальных отложений происходит в течение 200-1000 лет. Последующее промерзание таберальных образований до подошвы озерных отложений занимает до 2000 лет.

3. К настоящему моменту субмаринные талики на 75-76^o с.ш. находятся в квазистабильном состоянии. Температуры пород на подошве таликов равны температурам в верхней части реликтовых ММП. Деградация мерзлых толщ происходит только снизу под действием теплового потока.

4. На стадии "термокарстовых лагун" вследствие бокового влияния со стороны окружающих останцов ЛК образуются мерзлотные козырьки. Сохранение мерзлотных козырьков после их захоронения под слоем морских осадков имеет зональный характер и зависит от времени существования затопленного участка под водой. На 76^o с.ш. козырьки практически деградировали. На 73^o с.ш. сохранились до настоящего времени (Рекант и др, 2009).

Сопоставление результатов моделирования проведенного автором и анализ распределения концентраций растворенного метана в восточной части шельфа моря Лаптевых (Шахова, 2010) подтверждают существование сквозных субмаринных таликов при повышенном тепловом потоке 100 мВт/м² (в зонах разломов) на изобатах 20, 25 м (74-73^o с.ш. и 128-132^o в.д.). Зоны с пониженной концентрацией метана на шельфе приурочены к несквозным таликам при тепловых потоках 60 мВт/м² (74-76^o с.ш. и 128-132^o в.д.).