Некоторые особенности термохалинных процессов в прибрежной зоне арктических морей

Введение

Шельфовая зона Баренцева и Карского морей благодаря многочисленным нефтегазоносным месторождениям имеет большой запас полезных ископаемых как в береговой, так и в прибрежной зоне. Практически все они расположены в областях многолетнемерзлотных пород (ММП), что значительно затрудняет их разведку, добычу и транспортировку. При этом береговая зона в сочетании с механическим воздействием морских волн при разных уровнях моря подвержена термоабразии. Берега разрушаются и отступают, т.е. происходит трансгрессия моря. В частности, на Печерском участке Баренцева моря в районе Варандея берег отступает по разным оценкам на расстояние от 1 до 4–5 метров год. Происходит оттаивание ММП и на суше вдали от моря, что само по себе является как проблемой в экологическом плане, когда речь идет о сохранении биоразнообразия, так и проблемой из-за значительного усложнения технического обслуживания критической инфраструктуры при добыче и транспортировке углеводородного сырья. При этом комплексные программы мониторинга прибрежной зоны и берегов выполняются эпизодически по заказу нефтегазовых компаний, эксплуатирующих различные лицензионные участки.

Постоянно действующих стационарных при-
брежных станций Росгидромета совсем немного, и все же по ним есть определенный объем статистического материала о характеристиках природной среды. Но этого недостаточно для оценки перспектив сохранения, промерзания или оттаивания многолетнемерзлотных структур. Особенно мало данных по характеристикам в прибрежной зоне моря. Именно там температура и соленость воды имеют большую изменчивость. Там вода быстрее нагревается в теплый период года и остывает в холодный, кроме того, происходит распреснение вблизи устьевых взморий рек, что влияет на изменение температуры замерзания. Поэтому для оценки потоков тепла в донных грунтах необходимо проводить специальные натурные исследования.

Результаты

В донных отложениях шельфа Баренцева и Карского морей ММП имеют схожую геологическую структуру. Исходных данных для их картирования не так уж много. Это грунтовые колонки, полученные в ходе исследовательского бурения, и георадарные съемки. Как правило, такие исследования являются частью морских инженерно-геологических изысканий, выполненных по заказу компаний, специализирующихся на разведке и добыче углеводородов. Но некоторая часть работ все же сделана при прямом финансировании научных институтов РАН через различные гранты. В частности, довольно свежая карта распределения ММП на шельфе Баренцева и Карского морей (рис. 1) приводится А.Е. Рыбалко и М.Ю. Токаревым в коллективной монографии 2021 г. под редакцией академика А.П. Лисицына «Система Баренцева моря» [1].

По ней видно, что зона ММП тянется широкой многокилометровой полосой вдоль шельфа Печерской части Баренцева моря и материкового побережья Карского моря. При этом талые зоны наблюдаются восточнее о. Колгуев и почти на 300 км на некотором удалении от устья в Обской губе по всей ее ширине. Мощность этих многолетнемерзлотных пород достигает 100 м с температурой от -3 до -0,5ºС. В ММП шельфовой зоны пробурено десяток скважин. Это подтверждает, что количество исходных данных невелико. Но все же это бесценный материал, т.к. без него вообще невозможно оценить потоки тепла между придонными водами и донным грунтом, а также в самом грунте.

Здесь проблема состоит не только в малочисленности морских экспедиционных исследований, но и в том, что большие научно-исследовательские суда далеко не всегда заходят в прибрежную зону, а еще в том, что на мелководье они не ходят вообще. Все же с использованием современных методов обработки и анализа можно построить довольно качественные цифровые карты с распределением океанологических характеристик. В частности, С.В. Писарев при описании гидрологических условий Баренцева моря [3] приводит карты полей температуры и солености (рис. 2).

Для определения температуры замерзания морской воды необходимо также привлечь данные по распределению солености (рис. 3, заимствован из [3]).

Примером натурных данных по распределениям температуры и солености являются материалы многолетних наблюдений на Медыйско-Варандейском участке Печерского моря [5], собранные в один массив, по которому были построены соответствующие карты (рис. 4–8). По ним видно, что наблюдения непосредственно у берега проводились только до горизонта 5 м. Это обусловлено спецификой прибрежной зоны вблизи Варандея, где уклон дна очень маленький и изобата 5 м находится на расстоянии 3–5 км от уреза воды. Вследствие этого берег, разрушаясь все дальше, отступает под механическим воздействием волн и термоабразии, т.к. сложен из мерзлотных пород (см. рис. 1). По разным оценкам скорость этого отступания составляет в среднем 4 км в год [6].

Необходимо заметить, что непосредственно вблизи берега наблюдения за температурой и соленостью проводились, очевидно, с малых плавсредств и всего один раз в 2002 г., когда лицензию на этом участке на геологическое изучение, разведку и добычу углеводородов получило ЗАО «Арктикшельфнефтегаз». Было выполнено 8 станций. Тем не менее эти данные вполне могут быть использованы для расчетов потоков тепла у дна.

По Карскому морю можно привести данные по температуре и солености рейсов НИС «Профессор Штокман», выполненных в 2014 г. Схема станций представлена на рисунке 9 [7].

Как видно, в прибрежном районе на юго-западе и в Обской губе сетка наблюдений довольно подробная. В данном случае нас интересуют данные по Обской губе, где в зоне ММП имеются обширные участки их оттаивания (рис. 1). Обзор термохалинных условий по результатам наблюдений 128-го рейса НИС «Профессор Штокман» сделали С.А. Щука и др. [7]. Разрезы по температуре и солености вдоль Обской губы (рис. 10) позволяют проследить в придонном слое заток холодных и соленых морских вод вверх по реке, так называемый «соленостный клин». В межень он может распространяться на расстояние более 300 км. Характерно, что температура воды у дна отрицательная, но за счет высокой солености она может быть выше температуры замерзания, что вполне может формировать зоны оттаивания в донных ММП.

Следует заметить, что на устьевом взморье при распространении и постепенном осолонении речных вод формируются так называемые речные плюмы. При этом осолонение благодаря очень большой разнице в плотности морских и уже солоноватых вод происходит очень медленно. Формируются условия для отрыва масс воды от этих плюмов, что обусловливает появление отдельных линз почти пресной воды. Они начинают вращаться и распространяются далеко от берега [8].

Горизонтальное распределение температуры и солености воды в Карском море представлено на рисунках 11, 12 по данным рейса НИС «Профессор Мультановский» («Трансарктика 2019»), в котором принимали участие сотрудники и студенты РГГМУ.

По ним видно, что отрицательные температуры воды на поверхности расположены в более высоких широтах, а у дна, как ни странно, в значительной степени ближе к южному побережью. Возможно, последнее определяется высокой вертикальной стратификацией за счет речного стока, препятствующей перемешиванию.

Распределения солености на поверхности и у дна по материалам того же рейса экспедиции «Трансарктика 2019» представлены на рисунках 13 и 14.

Как видно, распресненный слой на поверхности распространяется практически до мыса Желания, северной оконечности Новой Земли, имея соленость более чем на 10–15 ‰ меньше поверхностных вод Карского моря как на севере, так и в его юго-западной части. Завихренных линз распресненной воды при такой сетке станций выявить не получилось. Аналогичный шлейф распресненных вод присутствует и у дна. При этом и на поверхности, и у дна на самом деле наблюдаются два шлейфа: очень обширный от Оби и меньшей площади Енисея. Но на поверхности обский шлейф распространяется дальше на север, у дна наоборот — от Енисея еще севернее, чем от Оби на поверхности. Возможно, это обусловлено особенностями рельефа дна, хотя в поле температуры таких различий нет.

Для расчетов потоков тепла между водой и донными отложениями необходимо привлечь данные по температуре придонных слоев на шельфе, также используемых в качестве верхнего граничного условия для задачи по промерзанию осадка («задачи Стефана») одномерного уравнения теплопроводности вида:

 , (1)

где  и  — плотность, теплоемкость и теплопроводность морских отложений соответственно. Такие расчеты для некоторых районов арктического шельфа выполнили Ю.Ю. Смирнов и коллеги [9]. Но они также нуждаются в детализации. При этом температура у дна должна быть получена отдельными расчетами из решения уравнения турбулентной теплопроводности, что при наличии высокой вертикальной стратификации за счет речного стока вынуждает также решать и задачу о турбулентной диффузии соли.

Заключение

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что для первичных оценок придонных потоков тепла и соли в придонных слоях в районах шельфовых ММП некоторое количество данных имеется. При этом еще необходимо привлечь измерения вертикальных профилей скорости и направления течений, которые также выполнялись, но в данной работе не анализировались. Без них трудно определить турбулентные потоки субстанций. Хотя можно привлечь характеристики турбулентного обмена на основе верифицированных математических моделей, которые есть. Но они сами были верифицированы на основе натурных наблюдений. Вот только на основе каких наблюдений и где. При этом динамика вод в исследуемых районах различна. В частности, если в прибрежной зоне Варандея на мелководье вода по вертикали хорошо перемешана, то в придонных слоях Обской губы этому препятствует заток морских вод.