Лёд и Снег • 2012 • № 3 (119)
Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.326.7(265.53)
Статистическая модель морфометрии гряды тороса на северо-восточном шельфе о. Сахалин
© 2012 г. Е.У. Миронов, В.С. Порубаев
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
pvs@aari.ru
Статья принята к печати 13 марта 2012 г.
Гидростатическое равновесие, масса льда, морфометрия гряд торосов, Охотское море, шельф о. Сахалин. Hydrostatic equilibrium, ice mass, morphometry of ice ridges, offshore the coast of Sakhalin Island, the Sea of Okhotsk.
Приведены характеристики геометрии и внутренней структуры гряд торосов, исследованных на северовосточном шельфе о. Сахалин. Получена формула, позволяющая рассчитать глубину киля гряды тороса по высоте его паруса. Даны графики плотности распределения вероятностей для характеристик гряды тороса. Построена модель морфометрии и определена масса среднестатистической гряды тороса. Рассмотрены факторы, влияющие на гидростатическое равновесие гряды тороса.
Введение
Начатое в 1990-е годы активное освоение углеводородных месторождений на шельфе замерзающих морей показало, что одна из ключевых проблем этого процесса — расчёт ледовых нагрузок на стационарные ледостой-кие платформы и терминалы. При выборе нормативных параметров морского льда обязательно должны быть определены морфометрические характеристики гряды тороса, включая её внутреннюю структуру [1,17], а также оценена масса льда в гряде тороса. Статистическая модель морфометрии поперечного сечения гряды тороса позволяет обобщить имеющиеся натурные данные с учётом современных знаний о физических процессах то-росообразования. Впервые модель поперечного сечения гряды тороса была предложена в работах [4, 11], где авторы представили аппроксимацию сечения гряды тороса в форме равнобедренного треугольника для её надводной и подводной частей. Последующие зарубежные и отечественные исследователи продолжали, в основном, аппроксимировать сечение гряды тороса в виде треугольной призмы [9, 10, 18, 24, 28].
Аппроксимация паруса и киля гряды тороса как треугольниками, так и трапециями дана в работе [1]. Модель гряды тороса, созданная на основе данных надводной и подводной фотосъёмки, приведена в работах [3, 5], где парус и киль гряды тороса аппроксимирован равнобедренными трапециями. В работе [27] представлены статистические модели одно- и многолетней гряд тороса. Однолетняя гряда тороса и в парусе, и в киле аппроксимирована треугольниками; в многолетней гряде тороса киль аппроксимирован трапецией. Причём для создания среднестатистической гряды тороса использо-
ваны сведения по разным регионам, включая и моря умеренной зоны, что не вполне оправдано.
Интересна работа [28], где обобщены данные о рельефе нижней поверхности льда, полученные с подводных лодок, и отдельные наблюдения надводной части гряды тороса при эпизодических всплытиях подводных лодок. В результате на основе большого объёма натурных данных о рельефе нижней поверхности льда впервые была разработана модель поперечного сечения гряды тороса и получены соотношения между основными геометрическими параметрами гряды тороса для Арктического бассейна. При этом принималось условие, что гряда тороса находится в гидростатическом равновесии. Авторы работ [6, 7] исследовали подводную часть гряд торосов с помощью аквалангов, что позволило им точно измерять максимальную глубину киля. В зависимости от толщины всторошенного льда и возраста гряды тороса создано несколько видов поперечных сечений гряд торосов. Парус и киль принимались в форме треугольной призмы.
В работе [15] предложена статистическая модель гряды тороса для юго-западной части Карского моря. Аналогичный методический подход использован нами в данной работе для расчёта статистической модели гряды тороса шельфа о. Сахалин. Обе эти работы основаны на данных о внешнем и внутреннем строении торосов, полученных с помощью теплового бурения. Бурение велось с помощью установок, в основу которых были положены разные методы бурения — электронагревателями и горячей водой. Метод бурения на основе электронагревания впервые описан в работе [22] и применялся при бурении ледников. В 1996 г. установка на
основе электронагревания была усовершенствована, что позволило записывать параметры бурения на компьютер, и применялась при исследовании торосов и стамух в Печорском море. Метод водного бурения впервые описан в работе [26]. Позже водное бурение использовалось при исследовании многолетних дрейфующих льдов моря Бофорта [25] и на шельфе о. Сахалин (1995-1998 гг.) [2, 19]. В 1998 г. на Сахалине, наряду с водным бурением, велось и электробурение с записью получаемых параметров на компьютер. Оба метода имели недостатки. Так, метод электробурения, отличаясь высокой точностью измерения, имел низкую скорость бурения, что не позволяло исследовать большое число торосов и стамух. А метод водного бурения, который имел высокую скорость бурения, не давал желаемой точности измерений. По скорости водного бурения визуально определяли характеристики льда и фиксировали встречающиеся пустоты.
В конце 1990-х годов в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте была разработана, а в 2001 г. изготовлена установка, совмещающая водное бурение с записью параметров бурения на компьютер [16, 23]. Запись и последующая обработка данных позволяют получить объективную информацию о распределении слоёв льда различного типа (твёрдый, рыхлый), наличии пустот в ледяном образовании; определяются также высота паруса и глубина киля, границы льда и грунта. Такие установки с 2002 по 2010 г. использовалась при исследовании гряд торосов и стамух в северной части Каспийского моря, на шельфе о. Сахалин и в юго-западной части Карского моря [12-14, 17, 20].
Геометрия гряд торосов
В настоящей работе использованы данные, полученные в 1995-1998 и 2006 гг. на северо-восточном шельфе о. Сахалин в Охотском море. Всего за это время исследовано 116 гряд торосов, которые имели, главным образом, треугольную форму килей. Трапециевидная форма, характерная для килей, обламывающихся при взаимодействии с грунтом дна, встречалась редко. Это
Таблица 1. Геометрические параметры гряд торосов по данным измерений
Параметры Значения параметров
минимальное среднее максимальное
Длина гряды тороса, м 50 80 105
Ширина паруса м 12 24 52
Высота паруса Ь, м 1,1 3,1 5,5
Глубина киля Н, м 7,3 13,2 23,0
Ширина киля Ь, м 34 74 123
Толщина гряды тороса Т, м 8,10 15,2 26,6
Отношение киль/парус 2,4 4,6 9,0
объясняется тем, что гряды торосов исследовались на большом расстоянии от берега, где глубина моря достаточно большая и взаимодействия килей гряд торосов со дном практически не происходило. Геометрические параметры гряд торосов даны в табл. 1, из которой видно, что на северо-восточном шельфе о. Сахалин гряды торосов представляют собой мощные ледяные образования. Максимальная высота паруса составила 5,5 м. Отметим, что для паруса это большая величина. Максимальная глубина киля также весьма значительна — 23 м.
При прокладке профилей бурения перпендикулярно гряде тороса одна из скважин обязательно располагается на гребне паруса, однако зафиксировать максимальную глубину киля удаётся не всегда, так как киль смещён относительно паруса. Именно поэтому величина отношения киль/парус для гряд торосов Охотского моря в табл. 1 несколько занижена. По данным [7], когда максимальная осадка килей точно фиксировалась аквалангистами, соотношение для гряд торосов, сложенных из ледяных блоков однолетнего льда, в среднем равнялось 5,0. На северо-восточном шельфе о. Сахалин гряды торосов также сложены ледяными блоками однолетнего льда. Это позволяет предположить, что реальное отношение киль/парус в данном районе будет близко к этому значению, т.е. к 5,0.
Осреднённое отношение максимальных значений глубины киля и высоты паруса — величина непостоянная и определяется толщиной гряды тороса. Следует отметить, что не существует прямой связи между максимальными и минимальными значениями толщины тороса и отношением киль/парус, как могло бы показаться из табл. 1. В реальности наблюдается обратная связь, т.е. при увеличении толщины тороса значение отношения киль/парус уменьшается. На рис. 1 показано изменение этого отношения в зависимости от высоты паруса. При увеличении высоты паруса отношение киль/парус H/h уменьшается, приближаясь к 3,0 согласно формуле
H/h = 8,5h-0,6. (1)
Связь глубины киля с высотой паруса можно описать выражением
Н = 8,5h0,4. (2)
Формулу (2) можно получить как из формулы (1), так и непосредственно путём определения связи между рядами значений высоты паруса и осадки килей.
Плотность распределения вероятностей высоты парусов, глубины килей и толщины гряд торосов аппроксимируется логнормальным законом, который имеет следующий вид:
1
ехр(-
(1п х-а)2
Ьхл/2 ' 4 2Ь2 Параметры а и Ь логнормального закона распределения связаны с математическим ожиданием т и коэффициентом вариации С:
а = In
т
il
+ С1
Ъ = 4щ1+С2).
Рис. 1. Изменение отношения киль/парус в зависимости от высоты паруса
Fig. 1. Keel/sail ratio depending on the sail height
Аналогичная аппроксимация плотности распределения вероятностей высоты паруса, глубины киля гряды тороса и других ледовых характеристик использована в работах [8, 12, 13, 21]. График распределения плотности вероятностей толщины тороса приведён на рис. 2, а.
Консолидированный слой гряд торосов
Консолидированный слой исследованных гряд торосов хорошо выделяется на профилях бурения и образует сплошную область по всей протяжённости гряды тороса. Методика определения толщины консолидированного слоя ледяного образования подробно изложена в работах [13, 16]. Для всего ряда наблюдений получены следующие значения толщины консолидированного слоя: среднее — 1,75 м; минимальное — 0,47 м, что может иметь место в молодых грядах торосов, образовавшихся незадолго до начала их исследования; максимальное из средних — 3,52 м. Тонкий консолидированный слой в отдельных грядах торосов объясняется небольшим периодом его намерзания. Плотность распределе
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.