Исследователи Московского физико-технического института совместно с коллегами из других университетов оценили эффективность электромагнитного зондирования, применяемого для картирования вечной мерзлоты на Восточно-Сибирском арктическом шельфе.
Результаты работы опубликованы в журнале Geosciences. В последние годы под руководством члена-корреспондента РАН Игоря Семилетова активно проводятся исследования, связанные с картированием подводной мерзлоты на шельфе Восточной Сибири. Они имеют важное значение для понимания ее текущего состояния и возможного потенциала, связанного с парниковым эффектом посредством выброса пузырькового метана с морского дна.
«От стабильности подводной вечной мерзлоты зависит, выходит ли метан, изолированный в гидратных отложениях, в вышележащие слои и в атмосферу. Он потенциально может влиять на темпы глобального потепления, ускоряя их. Некоторые исследователи даже говорят о том, что его вклад значительно больше, чем вклад CO2. Для изучения состояния многолетнемерзлых пород коллегами активно применяется электромагнитное зондирование становлением поля, позволяющее получить информацию об электропроводности горных пород, визуализировать положение слоя вечной мерзлоты в разрезе и обнаружить зоны протаивания вечной мерзлоты.
Потенциально это может помочь нам судить о том, насколько вечная мерзлота деградировала, и, соответственно, об интенсивности выделения в атмосферу Земли метана», — рассказывает Дмитрий Алексеев, старший научный сотрудник лаборатории скважинной, инженерной и разведочной геофизики МФТИ.
Из-за значительного изменения электрического сопротивления флюидонасыщенных осадочных пород при переходе из мерзлого состояния в талое и наоборот электрические и электромагнитные методы оказываются достаточно эффективны для визуализации мерзлоты. В случае подводной мерзлоты такие методы могут быть применены на мелководных прибрежных акваториях. Одна из используемых модификаций электромагнитного зондирования предполагает буксировку с помощью корабля питающей и приемной электрических линий. С помощью источника тока в питающую линию подается импульс определенной длительности, после которого происходит измерение электрического «отклика» из приемной линии. Измеренные кривые таких откликов при различном положении судна позволяют определить электрические свойства горной породы ниже поверхности дна (то есть построить геоэлектрическую модель). Эта информация может использоваться для оценки состояния вечной мерзлоты.
При достаточно большой глубине моря (свыше первых десятков метров) описанная технология имеет определенные ограничения в силу большого экранирующего влияния проводящей воды. На основе численного моделирования электромагнитных полей Дмитрий Алексеев и его коллеги выполнили анализ возможностей метода при определении параметров мерзлоты, талых донных отложений и подмерзлотной толщи.
«Мы построили семейство синтетических геоэлектрических моделей, имитирующих строение подводной толщи горных пород, и провели моделирование электромагнитных откликов, которые наблюдались бы при использовании соответствующих измерительных систем в реальных условиях. Затем посредством решения обратных математических задач мы восстановили геоэлектрические модели и получили представление о возможности применения рассматриваемой технологии при различной глубине воды, параметрах горных пород и уровне шума в измеренных данных.
Метод оказывается наиболее эффективным при глубине моря до 20 метров; с ее ростом неопределенность восстанавливаемых моделей существенно возрастает, поскольку соленая морская вода хорошо проводит ток и маскирует влияние нижележащих горных пород. В целом нам удалось подтвердить общую эффективность технологии для получения изображений подводной вечной мерзлоты в условиях шельфа Арктики. Это крайне важно для понимания текущего состояния подводной системы “вечная мерзлота — гидрат” и будущих исследований арктических морей», — дополнил Дмитрий Алексеев.
Исследования мерзлоты на арктическом шельфе требуют применения достаточно точного инструментального метода, способного визуализировать структуру донных осадочных отложений. Полученные учеными результаты демонстрируют приемлемую точность метода, за исключением слишком глубоких зон (более 50 метров), где он становится малоэффективным. Полученные результаты моделирования могут быть использованы на практике при совершенствовании технологии картирования подводной мерзлоты на Арктическом шельфе.
В состав научного коллектива, кроме сотрудников МФТИ, также вошли специалисты из Томского государственного университета, Тихоокеанского океанологического института имени В. И. Ильичева ДВО РАН, Института океанологии имени Ширшова РАН, МГУ имени М. В. Ломоносова, а также Института физики Земли имени Шмидта РАН и Института динамики геосфер имени Садовского РАН. Исследовательская работа проведена при поддержке проекта «Приоритет 2030» Министерства науки и высшего образования России и Российского научного фонда.