ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 449, № 2, с. 185-188
= ГЕОЛОГИЯ
УДК 551+550.8+551.46
О МЕХАНИЗМАХ ДЕГРАДАЦИИ ПОДВОДНЫХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД НА ВОСТОЧНОМ АРКТИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ РОССИИ
© 2013 г. Член корреспондент РАН Л. И. Лобковский, С. Л. Никифоров, Н. Е. Шахова, И. П. Семилетов, Н. В. Либина, Р. А. Ананьев, Н. Н. Дмитревский
Поступило 18.09.2012 г.
Б01: 10.7868/80869565213080203
В 2011 г. в рамках проекта ориентированных фундаментальных исследований Российского фонда фундаментальных исследований была впервые проведена междисциплинарная морская экспедиция в моря восточной Арктики на НИС "Академик М.А. Лаврентьев". Результаты исследований зафиксировали мощные газовые выбросы метана за счет деградации подводных многолетне-мерзлых пород (ПММП). Механизмы деградации ПММП связаны с палеогеографическими и современными факторами формирования верхней осадочной толщи, а также структурными особенностями Арктического региона. При продолжающейся деградации ПММП эмиссия метана будет увеличиваться и приобретать массированный характер. За счет размораживания подводной ПММП происходит образование больших объемов не только газов, но и воды, которые перемещаются по разрезу верхней осадочной толщи шельфа и поверхности того или иного слоя — с прибрежных прогретых участков к более холодным глубоководным, формируя субгоризонтально вытянутые конвективные ячейки, тем самым активизируя деструкционные процессы даже в условиях отрицательных придонных температур.
ПММП наиболее распространены на шельфе восточного сектора российской Арктики. Это связано с тем, что в четвертичные эпохи похолоданий здесь практически полностью отсутствовало покровное оледенение и поверхность шельфа развивалась в субаэральных условиях с низкими температурами. В результате периодического осу-
Институт океанологии им. П.П. Ширшова
Российской Академии наук, Москва
Тихоокеанский океанологический институт
им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения
Российской Академии наук, Владивосток
International Arctic Research Center of the University Alaska,
Fairbanks
шения и затопления шельфа была сформирована слоистая структура верхней осадочной толщи, причем в регрессивные циклы (эпохи похолоданий) происходило интенсивное вымораживание исходной поверхности и формирование плотных обезвоженных горизонтов (например, в период последней позднечетвертичной регрессии моря). В трансгрессивные циклы (эпохи потепления) накапливались относительно рыхлые морские отложения. При этом устойчивая отрицательная температура придонной воды способствовала консервации этой слоистой структуры [1, 2].
В 2011 г. в рамках проектов ориентированных фундаментальных исследований Российского фонда фундаментальных исследований и при участии Международного Арктического научного центра Университета Аляска, Фэрбанкс (МАНЦ, International Arctic Research Center, University Alaska, Fairbanks) была проведена междисциплинарная морская экспедиция в моря восточной Арктики на флагмане ДВО РАН НИС "Академик М.А. Лаврентьев" с использованием комплекса передовых геофизических и биогеохимических методов и технологий (рис. 1).
Подготовку и проведение экспедиции осуществляли сотрудники Тихоокеанского океанологического института Дальневосточного отделения РАН, Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ООО "Научное агентство "Морские арктические исследования" при участии МАНЦ. Проведенными исследованиями подтверждено отсутствие следов позднечетвертичного покровного оледенения и, наоборот, обнаружены погребенные па-леодолины рек, свидетельствующие о субаэраль-ном развитии шельфа на данный период времени. Вместе с тем на разных глубинах зафиксированы многочисленные борозды ледового выпахивания с мощными газовыми выбросами метана, что подтверждает гипотезу об определяющей роли состояния мерзлоты как запорного клапана для выбросов метана в водную толщу—атмосферу мо-
186
ЛОБКОВСКИЙ и др.
Рис. 1. Маршрут НИС "Академик М.А. Лаврентьев" в море Лаптевых и западной части Восточно-Сибирского моря (цифрами указаны профили, которые приведены в данной статье).
Рис. 2. Частично захороненные борозды ледового выпахивания на мелководье (профиль 1 на рис. 1). Слева запись гидролокатора бокового обзора, справа запись того же профиля эхолотом-профилографом.
рей восточной Арктики (МВА) при доминировании пузырькового переноса [3].
Характер записей сейсмоакустического профилирования (траншея с отвалами грунта в обе стороны) не оставляет сомнений в механическом характере воздействия на дно; причиной воздействия может быть взаимодействие движущегося льда с донной поверхностью. Глубина борозд в исследовавшихся районах достигает 4—5 м, а глуби-
на моря — более 80 м. Борозды ледового выпахивания можно разделить как минимум на две категории: современные прибрежные (рис. 2) и древние (реликтовые) глубоководные (рис. 3).
Образование последних, учитывая глубину, вероятно, связано с палеогеографическими причинами — регрессией моря в позднем плейстоцене почти до бровки шельфа. Отсутствие покровного оледенения не исключало наличия мощных дрей-
О МЕХАНИЗМАХ ДЕГРАДАЦИИ
187
фующих льдов, которые производили экзарацию дна в современной глубоководной части моря, а в дальнейшем следовали за трансгрессивным поднятием уровня моря. При этом, вероятно, происходило разрушение плотного обезвоженного глинистого слоя осадков, образованного в субаэральный период регрессии. Далее, во время неоднократных трансгрессивно-регрессивных осцилляций уровня моря сформированные траншеи с отвалами грунта были заморожены и, таким образом, сохранились до наших дней.
В настоящее время к глубоководным и мелководным бороздам приурочены интенсивные факелы газов [4], что позволяет рассматривать ледовую экзарацию как один из процессов, нарушающих сплошность верхнего слоя донных отложений МВА; эти нарушения приводят к усилению выбросов метана в водную толщу и атмосферу. Ранее было установлено, что в районе работ (рис. 1) деградация мерзлоты определяется нисходящим и восходящим тепловыми потоками вследствие прогрева донных отложений относительно теплыми придонными водами (особенно в зоне прямого влияния речного стока) и аномально высоким (в рифтовых зонах) геотермальным потоком [3, 5—7]. Показано, что одним из важнейших путей восходящей миграции метана являются затопленные морем во время трансгрессии подозерные талики [8, 9].
На современном этапе в пределах мелководья происходит образование больших объемов не только газов, но и воды за счет размораживания ПММП, часть которых фильтруется вниз по разрезу верхней осадочной толщи шельфа, а часть ввиду их слоистости (с резкими градиентами физических свойств) — по поверхности того или иного слоя. Таким образом, большие объемы перемещаются с прогретых прибрежных участков к глубоководным, где еще сохраняются устойчивые отрицательные придонные температуры, формируя субгоризонтально вытянутые конвективные ячейки. При подтверждении этой гипотезы можно предполагать, что деградация ПММП на больших глубинах может происходить быстрее, чем ранее считалось [9], даже в условиях отрицательных придонных температур за счет миграции и конвекции относительно теплых прибрежных водных масс.
Приуроченность газовых потоков именно к бороздам выпахивания, вероятно, объясняется отсутствием в их пределах плотных горизонтов древних глин, которые были разрушены ранее. Другим фактором разрушения этих плотных осадочных слоев может являться наличие рифтоген-ных структур и разрывных нарушений, которые широко распространены в Арктике и особенно на шельфе моря Лаптевых.
Дискуссионный вопрос — наличие признаков захоронения борозд выпахивания более молодыми современными отложениями на мелководье
Рис. 3. Глубоководные борозды ледового выпахивания в районе бровки шельфа без аккумуляции современных осадков (профиль 2 на рис. 1). Запись гидролокатора бокового обзора.
(рис. 2) и отсутствие этих признаков в пределах глубоководных участков (рис. 3). Вероятно, это связано с современными экзогенными процессами. В результате активных береговых термоабразионных процессов в прибрежную зону поступает огромное количество разнозернистого осадочного материала [10—12 и др.], часть которого (вероятно, наиболее крупнозернистого) заполняет борозды. Другая часть осадочного материала может поступать за счет оттаивания и разрушения отвалов грунта.
В пределах бровки шельфа происходит нормальная седиментация, наоборот, очень тонкого, преимущественно илистого, материала, часть которого придонными течениями смывается вниз по склону, а часть механически "выдувается" мощными газовыми потоками, о которых говорилось выше.
Кроме того, на шельфе моря Лаптевых обнаружены многочисленные "покмарки" (роскшагкз) — микрократеры различной формы — округлой, изометричной и вытянутой, размером от нескольких до десятков метров. "Покмарки" образуются при определенных условиях в местах выхода газа из донных осадков в воду. Не исключено, что их образование связано с разрушением древних жильных льдов (рис. 4).
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о значительных современных изменениях в структуре ПММП, что обусловлено:
1) деградацией подводных ПММП и формированием газопроводящих путей в их структуре, что приводит к эмиссии метана (при продолжающейся деградации ПММП, как наиболее вероятный сценарий, эмиссия метана будет увеличиваться);
2) образованием больших объемов не только газов, но и воды за счет размораживания подвод-
188
ЛОБКОВСКИЙ и др.
20 30 40 50
Рис. 4. Предположительно древние жильные льды на дне (профиль 3 на рис. 1).
ной ПММП; эти объемы воды могут перемещаться не только по разрезу верхней осадочной толщи шельфа, но и по поверхности того или иного слоя с прибрежных прогретых участков к более холодным глубоководным, формируя субгоризонтально вытянутые конвективные ячейки;
3) деградацией газогидратов, которая в отдельных районах может приобретать массированный характер.
Деградация ПММП совместно с деградацией многолетнемерзлых пород на суше и усилением термоабразионных процессов на побережье представляют глобальные риски планетарного масштаба.
Данная р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.