Температурные аномалии донных отложений арктических морей

Температура донных отложений

Сегодня, когда освоению Арктики вновь стало уделяться большое внимание, в том числе и на государственном уровне, а разговоры о вечной мерзлоте стали обыденным явлением как в СМИ, так и среди простых граждан, уже всем стало понятно, что мерзлота встречается не только на суше, но и на шельфе арктических морей под толщей солёных вод. Но когда речь заходит об изменении климата Земли, то прежде всего задумываются о динамике температурного режима мерзлоты и её деградации на суше. Ведь очевидно, что это напрямую связано с изменением температуры воздуха, а, следовательно, с глубиной и скоростью проникновения температурных волн в толщу вечномёрзлых пород. Когда же мы задумываемся о деградации подводной мерзлоты, то понимаем, что на её состояние температура воздуха воздействует не непосредственно, а через температурный режим морской воды. Изучением изменения температуры морской воды, в частности, её придонного слоя учёные занимаются уже достаточно давно, и любая арктическая экспедиция ещё со времен Фритьофа Нансена в своей работе обязательно проводит исследования температуры воды на разных глубинах, что к настоящему времени позволило создать обширную базу данных, используемую учёными для прогнозов и моделирования процессов, происходящих в морях арктического бассейна. Однако, когда речь заходит о температуре донных отложений, которые, с одной стороны, могут подстилаться мерзлотой, являясь некоторым индикатором её состояния, а с другой стороны, контактируют с толщей морской воды, имеющей изменчивую температуру, – всё становится не так однозначно. При этом приравнивать температуру донных отложений к температуре придонной морской воды некорректно, хотя на практике это часто используется. Дело в том, что температура воды придонного слоя более изменчива, чем температура самих донных отложений, поскольку на неё оказывают влияние многочисленные факторы, такие как сезонное изменение температуры воздуха, глубина расположения дна, удалённость от берега, влияние речного стока, морские течения и многое другое. А температурные изменения донных отложений происходят значительно медленнее, особенно если снизу на них действует охлаждающее влияние реликтовой подводной мерзлоты, которая сформировалась в предыдущие геологические эпохи, когда эти участки арктического шельфа были сушей.

Технология измерения температуры донных отложений совершенствуется с течением времени, и в настоящее время температурные измерения проводятся при помощи специальных зондов и датчиков различных конструкций. Но в основе всегда лежит либо измерение температуры внутри колонки морских осадков, поднятой на борт исследовательского судна, либо температура измеряется непосредственно на месте (на морском дне) при помощи датчиков-щупов, которые внедряются в донные осадки. И в том, и в другом случае для измерения требуется некоторое время, поскольку бурение нарушает температурное равновесие, существующее в осадке до внедрения в него пробоотборника или щупа, однако оно достаточно быстро восстанавливается.

а                                                        

Конечно, арктическое побережье имеет достаточно большую протяжённость, и в различных северных морях условия накопления и существования донных отложений будут отличаться. Например, результаты многих научных экспедиций показывают, что только в Карском море температура донных отложений, измеряемых обычно до глубины 0.5 м от поверхности дна, существенно различается в зависимости от географического положения места отбора пробы, а также от мощности слоя морской воды. Однако в природе существуют общие факторы и тенденции развития, которые мы постараемся обобщить и рассмотреть, а также привести некоторые конкретные примеры.

Какие факторы способствуют повышению температуры донных отложений, а какие ведут к понижению?

К факторам, повышающим температуру донных отложений на арктическом шельфе, прежде всего, следует отнести влияние притока условно тёплых вод, то есть имеющих температуру выше, чем окружающие морские воды. Это могут быть как воды морских течений, так и стоки крупных рек. Так, на континентальном склоне морей российской Арктики температура донных отложений на глубинах более 200 м варьируется в среднем в диапазоне от -0.6оС до +0.9оС, что в первую очередь определяется тепловым воздействием атлантических вод, которое прослеживается почти вдоль всего континентального склона Евразии.

Наибольшие значения температуры осадков (+3,0...+5,0°С) наблюдаются в юго-западной части Карского моря у западного побережья полуострова Ямал. Такие высокие температуры донных отложений связаны с затоком тёплых вод из Баренцева моря через пролив Карские Ворота. Очевидно, что именно эти воды вносят существенный вклад в формирование температуры придонных вод вдоль западного побережья полуострова Ямал. В северной части Карского моря в районе глубоководного желоба Святой Анны, достигающего глубины 600 метров, температура донных отложений варьируется от -0,4 до +0,1°С, что также связано с отепляющим воздействием атлантических вод. Положительные температуры донных отложений (0 – +2,0°С) также отмечаются в приустьевых зонах рек Обь, Енисей и Пясина, что обусловлено влиянием речных стоков. Водосборы этих крупных рек расположены далеко к югу от арктического побережья, из-за чего температура речных вод в приустьевых зонах летом может достигать +10–12°С. При впадении в море тёплые речные воды формируют значительную по площади зону опреснения, например, в центральной части Карского моря, где её толщина достигает10-15 м и может оказывать тепловое влияние на придонные воды в мелководных прибрежных зонах вдоль полуострова Таймыр. Подобная картина характерна и для других районов арктического шельфе, где имеет место впадение крупных рек (Лена, Индигирка, Колыма).

А вот понижению температуры донных отложений будет способствовать наличие под ними реликтовой субаквальной (подводной) мерзлоты и разлагающихся газовых гидратов. Следует отметить, что в настоящее время наиболее хорошо изучено состояние подводной многолетней мерзлоты на шельфе Карского моря, где под слоем современных донных осадков предполагается наличие сплошной, прерывистой и спорадической реликтовой вечной мерзлоты.

Прерывистая мерзлота, в отличие от сплошной толщи многолетнемёрзлых пород, включает в себя массивы и участки немёрзлых (талых) пород. Кроме того, существует и спорадическая вечная мерзлота, в виде отдельных островов, занимающих площадь менее 50% от территории распространения мерзлоты.

В центральной и восточных частях Карского моря донные отложения имеют отрицательные температуры, однако находятся в незамёрзшем состоянии ввиду отсутствия в них льда. Это связано с тем, что температуры замерзания этих донных осадков, содержащих солёную морскую воду, несколько ниже, чем их реальная температура, измеренная исследователями на месте опробования. При этом чётко наблюдается тренд понижения температуры донных отложений от -0,5°С в центральной части до -1,4°С в восточной части Карского моря, где предполагается наличие сплошной подводной мерзлоты. Если рассмотреть в целом имеющиеся данные о распределении температуры донных отложений по глубине, то мы увидим следующую картину. На глубинах воды свыше 200 метров обычно наблюдается безградиентное температурное поле или же слабое увеличение температуры донных отложений с глубиной (при измерении до 3 метров). Однако на мелководном шельфе, как правило, фиксируется отчётливый тренд на снижение температуры донных отложений с глубиной, причём чем выше была температура на поверхности дна (обычно небольшая положительная), тем более резким будет её снижение с глубиной. Понижение температуры донных отложений на шельфе от поверхности дна вглубь толщи осадков может быть связано с присутствием под современным слоем донных осадков подводной мерзлоты, так называемой мерзлоты с заглубленной кровлей. Также пониженные температуры современных донных отложений могут фиксироваться над пластами и глыбами погребённого мёртвого льда, сохранившегося в переуглубленных впадинах краевых и поперечных желобов со времён последнего оледенения. А вот низкие положительные температуры донных осадков могут свидетельствовать, наоборот, о полном отсутствии мерзлоты на данном участке, либо о наличии локальных участков реликтовой спорадической или прерывистой мерзлоты.

Отрицательная температура донных осадков, безусловно, признаётся сегодня как один из индикаторов наличия реликтовой подводной мерзлоты, но не только её. Это может быть ещё и следствием некоторых других процессов и явлений. Так, в некоторых районах континентального склона на изобатах 200-350 м включая места выхода метана в море Лаптевых были обнаружены аномально низкие значения температуры донных отложений (около -1,5 оС). Предполагается, что это может быть связано либо с явлением каскадинга, либо с разложением газовых гидратов.

Каскадингом называют стекание сформировавшихся на шельфе охлаждённых и/или осолонённых вод с повышенной плотностью вдоль уклонов рельефа дна. Несмотря на глобальное распространение, каскадинг является локальным процессом с продолжительностью от нескольких дней до нескольких недель. В процессе движения из района формирования вода с повышенной плотностью постепенно смешивается с окружающими водами, обеспечивая передачу свойств (тепла, соли, растворённого кислорода и др.) из поверхностной в глубинную структурную зону.

Что же касается понижения температуры отложений вокруг разлагающихся газовых гидратов, то дело обстоит следующим образом. При изменении термобарических условий существования газовых гидратов, которое может происходить при повышении температуры, например, в результате современных климатических изменений, а также потоков тепла из недр, гидраты разлагаются на газ и воду с поглощением огромного количества теплоты. То есть повышение температуры субаквальных толщ, где могли существовать газовые гидраты, образовавшиеся в более благоприятные геологические эпохи, способствует разложению гидратов, однако это тут же оборачивается локальным понижением температуры вмещающих отложений за счёт поглощения тепла, необходимого для разложения гидрата, в результате чего процесс дальнейшего разложения может приостанавливаться. При этом разложение крупных скоплений подводных газогидратов может приводить к значительному повышению давления образующихся газов и их последующим выбросам, что в северных морях фиксируется как выходы метана на поверхности воды в виде сипов и плюмов. Но, справедливости ради, надо отметить, что мощные выходы газов из глубин арктических морей могут быть связаны и с иными причинами помимо разложения газовых гидратов (вскрытие залежей обычного газа, поступление глубинного газа по трещиноватым зонам земной коры в результате неотектонических процессов и т.п.), однако и разлагающиеся газовые гидраты вносят в выбросы метана свой весомый вклад. 

Выходы метана на поверхность воды в Восточно-Сибирском море (фото Б. Буханова)

Что известно о подводной мерзлоте?

Увы, закономерности распространения и условия залегания субаквальной мерзлоты (косвенным индикатором существования которой может служить температура донных отложений) до сих пор чётко не установлены из-за малого количества прямой геологической информации, особенно учитывая то, что залегание подводной мерзлоты достаточно неоднородное, сложное и слабоизученное. Однако систематические наблюдения, проводимые в отдельных районах Арктики, позволяют говорить об активной деградации подводной мерзлоты в последние десятилетия, которая на некоторых участках может достигать нескольких десятков сантиметров в год.

Динамика деградации подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне моря Лаптевых. Буровые профили у северного мыса острова Муостах. Положение кровли подводной мерзлоты на двух профилях 1983 и 2014 гг. Скорость её деградации составляет от 5 до 20 см в год (из открытых источников)

Вместе с тем, анализ имеющихся материалов указывает на достаточно широкое распространение льдонасыщенной субаквальной многолетней мерзлоты на сибирском арктическом шельфе от береговой линии до изобат 80-100 м, что в ряде районов составляет до 1000 км от берега. При этом на континентальном склоне и больших глубинах на арктическом шельфе многолетнемёрзлые породы отсутствуют. Однако есть предпосылки существования отдельных реликтов мерзлоты на глубинах, достигающих 120 м. В целом на арктическом шельфе, особенно в его восточной части (море Лаптевых и Восточно-Сибирское море), предполагается широкое распространение сплошной субаквальной вечной мерзлоты (мощностью до 600 и более метров) с кровлей, заглубленной относительно морского дна. Некоторые исследователи предполагают наличие газогидратного слоя в нижней части подводной мерзлоты. А верхняя часть шельфовой криолитозоны (отложения над льдонасыщенной мерзлотой) сложена засолёнными незамёрзшими отложениями, имеющими отрицательную температуру. Что касается распространения спорадической и прерывистой реликтовой подводной мерзлоты, то оно характерно для изобат свыше 60 м, а также для районов с повышенными тепловыми потоками, которые связаны с тектоническими разломами в геологическом фундаменте. Наличие прерывистой и спорадической реликтовой подводной многолетней мерзлоты предполагается, кроме того, и в областях теплового влияния плюмов Великих Сибирских рек (Обь, Енисей и Лена).

Может быть у читателя возникнет вопрос: а как могла образоваться субаквальная вечная мерзлота, если всё, что расположено выше и ниже неё, имеет более высокую температуру? В целом можно сказать, что субаквальная мерзлота арктических морей изначально образовалась на суше в ходе многолетнего промерзания грунтовых толщ в периоды оледенений и регрессии (отступания) моря. Длительное воздействие низких температур воздуха способствовало образованию мёрзлых толщ мощностью в несколько сотен метров. В дальнейшем, в результате повышения уровня мирового океана, произошло их затопление. Так уж получилось, что в настоящее время субаквальная мерзлота распространена в основном на территории, относящейся к российскому континентальному шельфу, который отличается небольшой глубиной. 

Распространение многолетнемёрзлых пород в Северном полушарии

При этом анализ палеогеографических условий и обстановки осадконакопления позволил учёным сделать вывод, что западный и восточный сектора севера Евразийского континента развивались по-разному. В западной части, там, где сейчас находятся акватории Баренцева и Карского морей, постоянно происходили морские трансгрессии, которые проникали в глубину континента на большие расстояния, а шельф осушался только во время последнего похолодания. Шельф же современного восточного сектора (море Лаптевых и Восточно-Сибирское море), напротив, существовал долгое время преимущественно в континентальном режиме в условиях озёрно-аллювиального осадконакопления и формирования «ледового комплекса». Море заливало шельф морей восточного сектора Арктики полностью лишь несколько раз, и последний раз в голоцене (голоценовая трансгрессия).

А на дальнейшую эволюцию многолетнемёрзлых пород после затопления могли повлиять многие факторы, совокупность которых и определила современное состояние подводной криолитозоны. Это продолжительность погружения по сравнению с продолжительностью предыдущего пребывания над поверхностью моря; тепловое состояние и мощность вечной мерзлоты перед затоплением; конфигурация и морфология береговой линии, а также скорость её отступления; динамика поверхностных и подземных водных потоков; термокарстовые процессы, сопровождающиеся образованием озёр; температура и солёность придонной воды; состав отложений, включая их льдистость, и, вероятно, ещё многие региональные особенности.

Схема перехода многолетнемёрзлых пород (ММП) на суше в субаквальные многолетнемёрзлые породы (СММП) вблизи берегов и темпы перемещения береговой линии

Однако, как мы уже отмечали, режимы температуры донных отложений в арктических морях можно использовать в качестве косвенного показателя распространения подводной мерзлоты на мелководном арктическом шельфе.

Необходимо больше данных

В заключение хотелось бы ещё раз обратить внимание на следующее. Несмотря на все рассуждения о субаквальной мерзлоте, достоверные сведения, полученные на основании буровых профилей, напрямую доказывающие её существование, имеются в весьма ограниченном количестве. Прежде всего это относится к фактическим данным, фиксирующим мощность подводных мёрзлых толщ. Поэтому для изучения состояния субаквальной криолитозоны широко используется математическое моделирование, но его результаты очень сильно зависят от тех параметров, которые будут заложены в модель. Используемые в настоящее время численные модели значительно различаются в выбранных схемах развития палеогеографических событий, во входных данных о геологических особенностях шельфа и состоянии донных отложений, что в результате даёт разные оценки мощности подводной мерзлоты и её эволюции. Так, по результатам разных моделей, мощность подводной мерзлоты на внутреннем шельфе моря Лаптевых может достигать от 200 до 800 м. И вот здесь вновь возникает тема температуры донных отложений, но уже не только как косвенного индикатора существования мерзлоты под дном арктических морей, но и как важной составляющей новых математических моделей, когда полученные результаты могут быть использованы не только при реконструкции четвертичных оледенений на шельфе, обстановок развития шельфовой мерзлоты и при других палеогеографических построениях, но и в прогнозных моделях дальнейшего развития криолитозоны, занимающей значительную область российского континентального шельфа.

Результаты моделирования глубин распространения нулевой изотермы на арктическом шельфе (Overduin et al., 2019)

Автор: Чувилин Е.М., Соколова Н.С.