ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОД СУШИ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
УДК 556.168
ИЗМЕНЕНИЯ СУБМАРИННОГО ПОДЗЕМНОГО СТОКА КАК ВОЗМОЖНАЯ ПРИЧИНА РАЗРУШЕНИЯ МОРСКИХ МЕТАНОГИДРАТОВ В АРКТИКЕ1
© 2013 г. А. В. Дзюба, И. С. Зекцер
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: avdz@mail.ru Поступила в редакцию 28.03 2011 г.
Проведен анализ условий формирования и динамики подземных вод верхней гидродинамической зоны северного побережья Европейской части России, разгружающихся непосредственно в Баренцево и Белое моря. Количественно оценены значения водного, ионного и теплового среднемноголетнего и возможного в ближайшие десятилетия субмаринного подземного стока в Северный Ледовитый океан. Проведен анализ устойчивости морских арктических метаногидратов в условиях наблюдаемых и ожидаемых изменений климата. Физически обоснована не противоречащая эмпирическим данным концепция климатически обусловленного увеличения субмаринной разгрузки подземных вод как возможной причины роста интенсивности разрушения арктических гидратов метана.
Ключевые слова: подземные воды, субмаринная разгрузка, изменения климата, газовые гидраты, эмиссия метана.
Б01: 10.7868/80321059613010033
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Проблема современных и возможных в ближайшие десятилетия изменений климата, а также реакции на эти изменения окружающей среды все более актуальны в связи с необходимостью выработки экологических, экономических и политических стратегий.
Значение Арктического региона в последние годы резко возрастает. Арктическая зона — наиболее климатически уязвимая область Земли. Термодинамические процессы в этой зоне генерируют обратные климатические связи различного знака, влияющие на эволюцию регионального и глобального климата. Геополитическое значение Арктики определяется перспективой освоения богатейших углеводородных ресурсов шельфа арктических морей. При этом реализация этой перспективы во многом определяется динамикой климата в ближайшие десятилетия.
Режим подземных вод — наименее изученная составляющая гидрологического цикла [11, 12, 38]. Поступление подземных вод в моря и океаны происходит тремя путями: в виде ювенильных
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (про-
екты 10-05-00245-а, 11-05-00126-а, 11-05-12024-офи-м-2011).
вод, с речным стоком, в результате субмаринной разгрузки подземных вод. Ювенильные воды образуются из кислорода и водорода, выделившихся из магмы. Глобальное поступление ювениль-ных вод к поверхности Земли, по существующим оценкам, составляет не более 1 км3/год [21, 39]. Изменчивость потока ювенильных вод на интервалах времени порядка десятилетий и столетий мала, климатически не обусловлена и связана с общими процессами дегазации вещества мантии при развитии метаморфизма и магматизма. Поступление подземных вод в моря и океаны с речным стоком происходит вследствие дренирования реками подземных вод. Эта составляющая подземного стока входит в величину общего речного стока и корректно учитывается в балансовых расчетах. Наиболее сложны и недостаточно изучены процессы субмаринной разгрузки подземных вод зоны активного и замедленного водообмена. Условные границы этих зон определяются скоростями движения воды от 10-7 до 10-4 м/с и временем полного возобновления от 100 до 1000 лет [20]. Подземный сток из зоны активного водообмена для горноскладчатых районов примерно в 10 раз, а для платформенных районов — примерно в 1000 раз больше, чем из зоны замедленного
83
6*
Таблица 1. Значения характеристик, необходимых для расчета водных, ионных и тепловых параметров субма-ринной разгрузки подземных вод в арктические моря (в круглых и квадратных скобках — соответственно интегральные и средние для региона значения; в двойных круглых и квадратных — градиент температуры зимой и летом соответственно)
Регион стока и область притока Расчетная площадь подземного водосбора, 103 км2 Модуль подземного стока, л/с км2 Глубины субмаринной разгрузки подземных вод, м Минерализация подземных вод, г/л Модуль ионного стока, г/год км2 Средний температурный градиент (подз -^море), °С
Балтийский массив 23.7 (334) 0.1-2.5 [1.4] 50-200 до 0.5 4.7 2.1 (2.2) [1.8]
Северо-Двинский артезианский бассейн 6.3 (518) 0.5-4 [1.8] 30-150 До 1 29.3 3.5 (3.2) [4.0]
Тимманская складчатая область 2.1 (85.7) 1-5 [1.3] 50-120 0.2-1 18.9 3.9 (3.7) [4.1]
Печорский артезианский бассейн 3.4 (274.7) 0.1-3 [1.7] 50-100 0.3-0.5 24.1 4.1 (3.8) [4.5]
Уральская складчатая область 1.8 (523.6) 0.5-2 [1.3] 50-100 до 1 10.2 4.5 (3.8) [5.1]
Всего 33.9
Баренцево море 12.1 1.1 50-300 0.1-5 11.7 3.7
Белое море 21.8 1.9 30-250 0.5-5 13.5 2.5
Всего 33.9
водообмена [20]. Интенсивность пополнения и разгрузки подземных вод зоны активного и замедленного водообмена обусловлена климатическими вариациями в интервалах времени от десятилетий до столетий. Механизмы формирования обратных связей между изменениями субмаринного подземного стока в Арктике и динамикой климатической системы в настоящее время находятся на начальной стадии изучения [1, 2, 10—12, 38]. Вместе с тем, согласно [38], именно оценка обратных климатических связей и роль малых возмущений — одни из основных неопределенностей в понимании физики современных изменений климата.
Цель данной работы — оценка роли изменений параметров субмаринной разгрузки подземных вод в арктические моря в возможном нарушении равновесия морских метаногидратов и, как следствие, в региональном и глобальном изменении климата. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) оценка среднемного-летних значений водного, ионного и теплового параметров субмаринного подземного стока; 2) оценка возможных изменений параметров субмаринной разгрузки подземных вод к 2030 г.;
3) анализ устойчивости субмаринных арктических гидратов метана в ближайшие десятилетия;
4) описание физического механизма формирования климатической обратной связи, обусловленной современной динамикой подземного стока.
СРЕДНЕМНОГОЛЕТНИЕ ПАРАМЕТРЫ СУБМАРИННОЙ РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Региональная оценка среднемноголетней суб-маринной разгрузки подземных вод основана на количественном анализе условий формирования и движения подземных вод в прибрежных районах суши. Методика расчета субмаринного подземного стока в арктических районах Европейской части России (ЕЧР) детально изложена в [21, 39]. Необходимые для расчетов среднемного-летние за базовый период (1960—1990 гг.) величины приведены в табл. 1. Количественные оценки среднемноголетнего водного и солевого субма-ринного подземного стока в арктические моря по отдельным гидрогеологическим районам (рис. 1) в целом подтверждают сформировавшиеся представления. Действительно, водный (0.42 км3/год) и ионный (141.6 х 103 т/год) субмаринный подземный сток в Баренцево море незначительны. Оценки водного (1.31 км3/год) и ионного (294.4 х х 103 т/год) субмаринного подземного стока в Белое море, водообмен которого с Баренцевым морем затруднен из-за мелководности северной части и Горла, должны учитываться для уточнения балансовых расчетов.
Авторами впервые получены характеристики теплового потока ко дну Баренцева и Белого морей в результате субмаринной разгрузки подземных вод. Для этого использованы геотермические и океанографические данные (табл. 1). Тепло к
м
о
н
о
=к
3
Я
%
е
п ч ч
о о
С ^
=к Г<1 £
3 м
я
я
я
р
а
%
б
у
С
=к
3
я
%
е
п
ч
о
Я
=к ч
3 я о 1-1
я я 0
р
а
% м
б о
у н
о о
=К
3
я
я
о
И
(а)
х §
1-1 ^
ч
м о н о с =к
о <ч о ч С о
Т
1.5 1.0 0.5
0
-0.5 -1.0 -1.5
300 200 100 0 100 200
15000 10000 5000
5000
-10000
(7)
35 : т—0.09 ..... ■■■■■■ -/СЧ
3^(3) (4) (5)
Суша
(1)
(б)
(7)
Море
(1)
Р-39.6'" ....
......
(4)
-82 9 (5)
7
(2)
(4) Суша
(в)
(7)
Море
Ш-1470
(3)
В; -3090'
-1319 У
(2)
(4)
(5)
Суша
(1)
Рис 1. Среднемноголетние изменения параметров субмаринной разгрузки подземных вод. а - объем стока; б - ионный сток; в - выносимый подземными водами поток тепла. 1 - Балтийский массив; 2 - Северо-Двинский артезианский бассейн; 3 - Тимманская складчатая область; 4 - Печорский артезианский бассейн; 5 - Уральская складчатая область; 6 - Баренцево море, Белое море.
0
морскому дну передается посредством конвекции, молекулярной теплопроводности пород и излучения. На глубинах верхней гидродинамической зоны передачей тепла за счет излучения можно пренебречь. Тогда
4 = 4конд + 4конв = ^ТГ + СачТ->
дг
где д Т/дг = (Т2 - Т)/(г2 -- температурный градиент, или изменение температур Т2 и Т на глубинах 12 и 1\ (ось Z направлена вниз по нормали к
поверхности); X - коэффициент теплопроводности; а- плотность; С - теплоемкость; V - вертикальная скорость конвекции (или скорость фильтрации подземных вод, если считать, что конвекция осуществляется в основном за счет субмаринной разгрузки подземных вод зоны активного водообмена); Т - температура на глубине г = (г + г2)/2.
Величина кондуктивного теплового потока в конкретном месте определяется коэффициентом теплопроводности пород и температурным градиентом. Оценки плотности кондуктивного по-
Таблица 2. Расчетные параметры среднемноголетней и возможной к 2030 г. субмаринной разгрузки подземных вод в Северный Ледовитый океан с ЕЧР. (Возможные к 2030 г. изменения параметров субмаринного подземного стока получены с учетом изменений количества атмосферных осадков по ансамблю климатических моделей для климатического сценария В2 (минимальные изменения климата.)
Море Средне-многолетняя субма- ринная разгрузка, м3/год Возможная к 2030 г. суб-маринная разгрузка, м3/год Среднемно-голетний субмарин-ный ионный сток, 103 т/год Возможный к 2030 г. суб-маринный ионный сток, 103 т/год Среднемно-голетний тепловой поток, 1016 Дж/год Возможный к 2030 г. тепловой поток, 1016 Дж/год Среднемно-голетняя плотность теплового потока, 10-3 Вт/м2 Возможная к 2030 г. плотность теплового потока, 10-3 Вт/м2
Баренцево 0.42 0.5 141.6 168.5 0.7 0.8 17 20
Белое 1.31 1.57 294.4 352.6 1.3 1.5 19 23
Всего 1.73 2.07 436.0 5201.1 2.0 2.3
тока тепла для изучаемого района проведены по данным карты геотермиче
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.