Настоящая работа представляет информацию о морфометрических характеристиках и внутреннем строении торосов, исследованных с помощью электротермобурения весной 2008 г. на дрейфующей станции СП-35, осенью во время организации дрейфующей станции СП-36 и весной 2009 г. на ледовой базе Барнео. Десять торосистых образований различной морфологии были исследованы во время полевых сезонов 2008–2009 гг. на дрейфующих станциях.
С конца 80-х годов прошлого столетия российские исследования морфометрии ледяного покрова центральной части Арктического бассейна прекратились, и только в последние годы благодаря дрейфующим станциям «Северный полюс» появилась возможность их продолжить. В настоящее время активно проводятся исследования торосистых образований на шельфе замерзающих морей России. Однако, если для районов шельфа информация об их морфометрических характеристиках регулярно пополняется, то для центральной части Арктического бассейна ее крайне недостаточно. В отличие от зарубежных исследований, в которых для исследования торосов до сих пор применяется механическое бурение, в ААНИИ используется термобурение с компьютерной записью скорости и некоторых других параметров бурения. В условиях изменяющегося климата, уменьшения площади льдов в СЛО, уменьшения их толщины информация о внутреннем строении современных торосов представляет несомненную ценность.
Исследование строения торосов производилось с помощью установки для электротермобурения ААНИИ, включающей электротермобур ЭТИ-3М2 и аппаратуру записи скорости бурения на ноутбук. Питание осуществлялось от бензогенератора мощностью 2,2 кВт.
Морфометрические характеристики торосов и их внутреннее строение определяются в результате обработки записей термобурения. Эта процедура достаточно известна и описана во многих предыдущих работах, например (Morev and Kharitonov, 2001; Kharitonov, 2005) и др. Технология защищена Патентом России № 2153070, 2000 г (Морев и др., 2000). Скорость бурения зависит от подаваемой на термобур тепловой мощности и пористости льда. Определение расположения пустот, плотного и рыхлого льда на отрезках скважины производится по скорости погружения бура. Необходимым условием валидности этого определения является бурение скважин при постоянной тепловой мощности или учет изменения мощности во время бурения. На участках рыхлого льда и особенно в пустотах, заполненных снегом, шугой, водой или воздухом, движение термобура резко ускоряется. Дополнительно измеряется расстояние от поверхности снежного покрова (льда) до уровня моря. При обработке данных термобурения определяются величины надводной и подводной частей ледяного покрова, границы консолидированного слоя (КС) торосов, границы пустот, участки льда различной пористости.
Измерение температуры тороса производится путем вмораживания в скважину от термобура полиэтиленовой трубы с заглушенным нижним концом, заполненной антифризом. Когда вода, заполняющая пространство в скважине между льдом и трубой, замерзнет и антифриз примет температуру окружающего льда, производятся измерения температуры антифриза с помощью погружного датчика на размеченном кабеле. Опыты по вмораживанию полиэтиленовых труб в скважины тороса показали, что оптимальный срок, когда можно измерять температуру тороса, составляет двое суток с момента установки трубы в скважину. По распределению температуры можно определить положение нижней границы КС, т. к. ниже КС наблюдается гомотермия.
Однако при низких температурах воздуха в парусе и КС тороса существует значительный градиент температуры, который может вызвать конвекцию в антифризе, и, как следствие, искажение реальной картины распределения температуры тороса. Для определения наличия такой конвекции на ледовой базе Барнео был поставлен следующий опыт. На ровном льду толщиной 1,7 м в нескольких скважинах были установлены и вморожены полиэтиленовые трубы с антифризом разного состава и концентрации. Одна труба была оставлена не залитой в качестве контрольной. Через трое суток после установки труб производились измерения температуры антифриза. В непосредственной близости был выбурен керн и измерена его температура. Распределения температуры воздуха в не залитой трубе и температуры льда керна были практически идентичны.
Опыт показал, что конвекция в антифризе имеет место. Надо отметить, что градиент температуры во льду был довольно высоким – 13,6 °C/м, однако реальные градиенты температуры в теле тороса могут достигать даже несколько больших значений. Следовательно, конвекцию в антифризе нельзя не учитывать. Одним из путей выхода из этой ситуации является использование антифриза высокой вязкости, как, например, раствор глицерина.
В течение 2008–2009 гг. на дрейфующих станциях были исследованы десять торосов различного возраста и морфологии: три многолетних, два двухлетних, четыре однолетних и один торос вторичного торосообразования, представляющий собой результат взаимодействия однолетнего льда и многолетнего тороса.
Отличительными особенностями исследованных многолетних торосов являются существенно сглаженный киль и близкий к единице коэффициент заполнения. При бурении киля тороса № 1 всего один раз встретилась каверна, заполненная рассолом, вертикальным размером 0,02 м в пределах КС, в киле тороса № 2 отмечено несколько каверн, средний вертикальный размер которых не превышал 0,03 м. Коэффициент заполнения киля тороса № 3 равен единице.
Соотношения «максимальный киль/максимальный парус» исследованных многолетних торосов равнялись 5,3, 1,9 и 2,0. Среднее значение угла ската паруса составило 22,3° со стандартным отклонением 7,3°. Эти значения хорошо согласуются с ранее выполненными исследованиями (Kovaks, 1983). Морфометрические характеристики многолетних торосов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Морфометрические характеристики многолетних торосов
Профиль бурения двухлетнего тороса приведен на рис. 1 (№ 4).
Рис. 1. Профили бурения двухлетнего (№ 4) и однолетнего торосов (№ 5)
Торосистое образование № 5 было самым крупным из исследованных во время сезонных работ и представляло собой несколько гряд торосов, расположенных друг за другом, образовавшихся в разное время и сложенных из однолетнего льда разной толщины. Поперечный профиль бурения пересекал четыре гребня (рис. 1). Ширина тороса № 5 составила 90–95 м, максимальная общая толщина льда составила 17 м.
На рис. 2 приведена гистограмма распределения толщины блоков, составляющих парус тороса № 5. Распределение имеет три максимума, указывающих на то, что гряды тороса образовались в разное время. Судя по килю этого торосистого образования (рис. 1, нижний профиль), первая гряда – это фактически отдельный торос. Средняя толщина блоков паруса у него составила 0,60 м. Средние толщины блоков паруса второй и третьей гряды составили 0,30 и 0,44 м, на гистограмме они слились в один максимум. Средняя толщина блоков паруса четвертой гряды составила 0,80 м.
Рис. 2. Гистограмма распределения толщины блоков, составляющих парус тороса № 5
Торосистое образование № 6 представляло собой небольшую гряду, образовавшуюся в результате сжатия разводья, покрытого тонким (0,1 м) льдом. Тонкий лед оказался выторошенным на поверхность и образовал гряду тороса. Торосистое образование № 7 также образовалось в результате сжатия разводья, но в отличие от тороса № 6 лед замерзшего разводья был существенно большей толщины (около 0,3 м), поэтому морфометрические характеристики этих двух образований различны.
Эти торосы, получившиеся в результате сжатия тонкого льда разводья, имеют свои особенности строения. В результате сжатия битый тонкий лед разводья оказался вытесненным толстым ровным льдом. Обломки тонкого льда в торосе № 6 распределились практически равномерно сверху и снизу. Об этом говорит соотношение «максимальный киль/максимальный парус», равное 1,4. Хопкинс (Хопкинс, 1994; Хопкинс, 1998) проводил численное моделирование процессов торошения, когда тонкий лед замерзшего разводья взаимодействует с толстым льдом. По его мнению, на первой стадии формирования таких торосов более тонкий лед вытесняется на поверхность толстого льда и формирует парус тороса. На второй стадии блоки тонкого льда вытесняются под толстый лед и начинают формировать киль тороса. Таким образом, если сжатие в этот момент прекращается, то вполне вероятно, что торос будет иметь соотношение паруса и киля близкое к тому, что наблюдалось у тороса № 6. Киль тороса № 6 был почти полностью консолидирован.
Подобное торосистое образование было исследовано Комаровским (Комаровский, 1984) на СП-22. Толщина молодого льда в разводье составляла 0,2 м. По его оценке, общий объемный коэффициент заполнения тороса составил 0,48. В настоящей работе приводится линейный коэффициент заполнения. В предположении, что торос – это изотропная среда, общий объемный коэффициент заполнения в нашем случае составит приблизительно 0,6. Однако Комаровский проводил измерения на следующий день после образования гряды торосов. В нашем случае произошла консолидация киля торосов, и, соответственно, общий коэффициент заполнения тороса выше.
Парус тороса № 7 был смещен относительно киля, поэтому та часть тороса, в которой вес массы льда паруса не был уравновешен архимедовой силой со стороны киля, была притоплена.
Торосы № 8 и № 9 были исследованы весной 2009 г. на ледовой базе Барнео. Торос № 8 был почти полностью занесен снегом. Соотношение «максимальный киль/максимальный парус» для него равнялось 3,0, что характерно для многолетних торосов. Однако средняя толщина КС равная 3,5 м указывает на то, что этот торос является двухлетним. Особенный интерес вызвал торос № 9, т. к. он оказался самым молодым торосом из ранее исследованных. Учитывая то, что толщина блоков тороса № 9 составляла в среднем 0,7–0,8 метров, а толщина ровного льда вблизи тороса составляла один метр, снежный покров практически отсутствовал, и температура воздуха в течение предыдущих двух-трех недель держалась в районе -35–40 °C, можно оценить возраст тороса № 9 в 10–20 дней. Он образовался в результате торошения ровного однолетнего льда и двухлетнего ледяного поля. Об этом говорят измерения толщины ровного льда, окружающего торос, и реконструкция строения киля тороса по записи скорости бурения (рис. 3).
Рис. 3. Реконструкция строения киля тороса № 9 по записи скорости бурения
Холодный лед паруса тороса, крупные блоки льда паруса затруднили буровые работы. В результате применялась новая технология бурения холодного льда, когда бурение скважины производится за несколько рейсов в целях предотвращения замерзания скважины в районе расположения крупных холодных блоков льда. Это обстоятельство, а также ухудшение погодных условий не позволили в полной мере исследовать этот торос.
Основные морфометрические характеристики исследованных торосов приведены в табл. 2.
Таблица 2. Морфометрические характеристики двух– и однолетних торосов
Торос вторичного торосообразования № 10, представляющий собой результат взаимодействия однолетнего льда и многолетнего тороса, рассмотрен в работе (Харитонов и др., 2008). Особенность строения этого тороса состояла в том, что его киль был полностью смещен относительно паруса.
Скорость бурения обратно пропорциональна объемному содержанию твердой фазы льда. Таким образом, зависимость времени перемещения термобура на единичное расстояние, т. е. величины, обратной скорости бурения от глубины, – это зависимость объемного содержания твердой фазы льда от глубины. Другими словами, это распределение объемного содержания твердой фазы льда вдоль скважины в относительных единицах, поскольку коэффициент пропорциональности имеет размерность скорости. Для каждой скважины это распределение будет своим. Усреднив эти распределения по всем скважинам, можно получить среднестатистическое распределение объемного содержания твердой фазы льда по глубине для района проведения исследований. Последовательно рассматриваются все глубины от максимального значения высоты паруса до минимального значения глубины киля. На каждой выбранной глубине усредняются значения объемного содержания твердой фазы льда во всех скважинах, соответствующих этой глубине. В тех точках, где рассматриваемая глубина выходит за пределы паруса или киля, объемное содержание принимается равным нулю. Определение КС будет валидным по этому распределению. Подробно эта методика определения границ КС описана в работах (Харитонов, 2005; Kharitonov and Morev, 2007).
На рис. 4 приведены примеры такого распределения для многолетних торосов и тороса № 5. На графиках выделяется КС, который отличается резким увеличением объемного содержания твердой фазы льда в районе уровня воды. Как видно из рисунка, верхняя граница КС в целом более четко выражена, чем нижняя. Чаще всего верхней границей КС является верхняя граница блока льда, являющегося частью КС. Высота выступающей над уровнем моря части этого блока есть величина случайная. Фактически, верхнее плато графиков на рисунке есть интегральное распределение вероятности положения верхней границы блока льда. Что касается нижней границы КС, то за счет того, что КС растет вниз и вбирает в себя расположенные ниже блоки льда, распределение ее положения должно быть близко к нормальному. Однако часто это распределение в той или иной степени бывает искажено влиянием блоков льда, располагающихся ниже КС.
Рис. 4. Распределение объемного содержания твердой фазы льда по глубине для многолетних торосов № 1–№ 3 (а) и для тороса № 5 (б)
По оценкам, средняя толщина КС исследованных многолетних торосов колебалась от 4,7 до 7,0 м, что согласуется с ранее проведенными исследованиями Ковакса (Ковакса, 1983). Средняя толщина КС двухлетнего тороса № 4 составляла 2,4 м, что соответствует его возрасту. Средняя толщина КС тороса № 5 составляла 1,8 м. Хойланд (Хойланд, 2005), исследовавший однолетние торосы Баренцева моря неподалеку от архипелага Шпицберген, приводит следующие пределы для средней толщины КС: измерения по температуре – 1,4…1,5, измерения с помощью механического бурения – 1,7…1,9. Определение границ КС по температурным наблюдениям является более достоверным.
Десять торосистых образований различной морфологии были исследованы во время полевых сезонов 2008–2009 гг. на дрейфующих станциях. Их внутреннее строение определялось с помощью электротермобурения с записью скорости бурения на компьютер.
Три из исследованных торосов являлись многолетними и имели значительную степень консолидации. На краях гребня этих торосов весь киль был полностью консолидирован. Полученное для одного из них соотношение «максимальный киль/максимальный парус», равное 5,3, существенно превышает диапазон этого соотношения для многолетних торосов, полученный ранее Коваксом. В результате его исследования это соотношение в среднем равняется 3,3 со стандартным отклонением 0,5. Полученные углы ската паруса многолетних торосов полностью совпадают с результатами исследования Ковакса. Распределение объемного содержания льда по глубине для исследованных многолетних торосов дает оценку средней толщины КС около 6 м.
Для остальных торосов отмечены следующие морфометрические характеристики: максимальная величина осадки киля находилась в пределах от 3,5 до 14 м; максимальная высота паруса – от 2,5 до 3,9 м; средняя толщина КС торосов находилась в пределах от 1,5 до 3,4 м; пористость торосов находилась в пределах от 6 до 18 %; пористость неконсолидированной части киля торосов изменялась в пределах от 4 до 26 %.
При небольших величинах паруса исследованных торосов (приблизительно до 1 м) толщина КС никак не связана с высотой паруса. Однако, при больших высотах паруса, его величина начинает влиять на рост КС. Чем выше парус тороса, тем меньше толщина консолидированного слоя в этой точке.
Опыт бурения холодного льда показал, что электротермобур ЭТИ-3М2, успешно применяемый в ледовых исследованиях, для работы в условиях низких температур требует усовершенствования.
Решением проблемы измерения температуры тороса может стать применение специального термозонда, опытный образец которого был испытан еще в 30 САЭ. Этот термозонд представляет собой термокосу, размещенную в зазоре между двумя белыми резиновыми трубами небольшого диаметра. Внутренняя труба представляет собой закрытый объем. Вся конструкция вставляется в скважину от термобура, и во внутреннюю полость накачивается воздух таким образом, чтобы она, раздувшись, прижала термокосу ко льду, вытеснив морскую воду из скважины и заполнив собой весь объем скважины. После выдерживания термозонда в таком состоянии, пока не выровняется тепловое состояние льда, производятся измерения сопротивления датчиков и определяется температура льда. После окончания измерений воздух из внутренней трубы выпускается, внешняя труба сжимается до своих прежних размеров, и термозонд извлекается из скважины.
Предлагаемый метод, сочетающий технологию термобурения и измерения температуры льда на стенке скважины, позволяет при некотором сокращении объема бурения получать точные данные о положении нижней границы консолидированного слоя. Это несомненно сделает технологию термобурения более выигрышной и позволит в дальнейшем успешно применять ее в ледоисследовании.
Автор выражает благодарность сотрудникам ААНИИ Безгрешнову А.М. за помощь в измерении температуры торосов и Андрияйнену Ю.В. – за помощь в извлечении вмороженных труб.
Комаровский В.А. Образование строение и морфометрические характеристики гряды торосов из молодого льда // Проблемы Арктики и Антарктики. –1984. —Вып. 58, —С. 92–94.
Морев В.А., Морев А.В., Харитонов В.В. Способ определения структуры торосов и стамух свойств льда и границы льда и грунта. Патент России № 2153070 от 20.07.2000. Бюллетень № 20.
Харитонов В.В. Экспериментальные исследования внутреннего строения торосов и стамух с помощью термобурения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. 2005. Санкт-Петербург. Ротапринт ААНИИ.
В.В. Харитонов, А.Э. Клейн, Р.Б. Гузенко. Особенности морфометрии торосистых образований со смещенными парусом и килем. Проблемы Арктики и Антарктики, 2008, № 3 (80), с. 131–135.
Mark A. Hopkins. On the ridging of intact lead ice. – J. Geophys. Res. Vol. 99, C8, pp. 16351–16360 August 15, 1994.
Mark A. Hopkins. Four stages of pressure ridging. – J. Geophys. Res. 1998 Vol. 103, C10, pp. 21883–21891.
Knut V. Høyland. Ridges in the Barents Sea. Proc. of the 18th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC). Potsdam, New York, 26–30 June 2005, Vol.2, p. 949–959.
Victor V. Kharitonov. Peculiarities Of Fractional Composition Of The Pechora Sea First-Year Ridges. Proc. of the 18th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC). Potsdam, New York, 26–30 June 2005, Vol.2, p. 907–916.
V.V. Kharitonov, V.A. Morev. Methodological basis of estimating the mean thickness of the consolidated layer of ice ridges and stamukhas from the distribution of solid phase volumetric content in sea ice. Proc. of the 19th Int. Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC). Dalian, China, June 27–30 2007, p. 510–516.
Kovacs A. Characteristics of Multi-year pressure ridges. Proc. of the 7th Int. Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition POAC`83 1983. Vol.3 p.173–182.
Morev V., V. Kharitonov. Definition of the Internal Structure of Large Ice Features by Thermal Drilling Methods. Proc. of the 16th Int. Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition. POAC`01. Aug. 12–17, 2001 Ottawa, Ontario, Canada. Vol.3, p.1465–1472.
Аbstract
The paper presents the information on morphometric parameters and internal structure of ice ridges studied with the help of electrical thermal drill on the drifting stations NP-35 (2008, spring) and NP-36 (2009, autumn), and ice station «Borneo» (2009, spring). Ten ice ridges of various morphologies were studied on the drifting stations during the field seasons of 2008–2009.