stringtranslate.com

Размывание морского дна льдом

Айсберг дрейфует на мелководье и при соприкосновении с ним оставляет борозды на морском дне.
Дрейфующие торосы морского льда также могут образовывать борозды на морском дне.

Выпахивание морского дна льдом — это процесс, который происходит, когда плавучие ледяные образования (обычно айсберги и морские ледяные торосы ) дрейфуют в более мелководные районы и их киль соприкасается с морским дном . [1] [2] [3] По мере того, как они продолжают дрейфовать, они оставляют длинные узкие борозды, чаще всего называемые выбоинами или промоинами . [4] [5] [6] Это явление распространено в прибрежных средах, где, как известно, существует лед. Хотя это также происходит в реках и озерах, [7] [8] оно, по-видимому, лучше документировано в океанах и морских пространствах. [2] [4] [5]

Размывы морского дна, возникающие в результате этого механизма, не следует путать с размывами штруделя . Они возникают в результате того, что весенние стоки воды попадают на поверхность данного морского ледяного пространства, которое в конечном итоге стекает через трещины, дыхательные отверстия и т. д. Возникающая в результате турбулентность достаточно сильна, чтобы высечь углубление в морском дне. Размыв морского дна льдом следует также отличать от другого механизма размыва: эрозии осадков вокруг конструкции из-за водных течений, хорошо известной проблемы в области океанической инженерии и речной гидравлики [9] – см. размыв моста .

Историческая перспектива и актуальность

Похоже, Чарльз Дарвин в 1855 году размышлял о возможности того, что айсберги могут прорывать морское дно, дрейфуя через изобаты. [10] Некоторые дискуссии об участии морского льда были подняты в 1920-х годах, но в целом это явление оставалось плохо изученным научным сообществом вплоть до 1970-х годов. [11] В то время судовые гидролокационные съемки бокового обзора в канадском море Бофорта начали собирать фактические доказательства этого механизма. Впоследствии прорывы морского дна наблюдались дальше на севере, в Канадском Арктическом архипелаге, а также в Российской Арктике. [4] На протяжении всего этого десятилетия прорывы морского дна льдом широко исследовались.

Внезапный интерес к этому явлению вызвало открытие нефти вблизи северного побережья Аляски и два связанных с этим фактора: [10] 1) перспектива того, что в этих водах могут быть в изобилии нефтяные месторождения, и 2) соображение о том, что подводные трубопроводы будут задействованы в будущих разработках по добыче, поскольку это, по-видимому, был наиболее практичный подход к доставке этого ресурса на берег. С тех пор средства защиты этих сооружений от воздействия льда стали важной проблемой. [12] [13] [14] [15] Разлив нефти в этой среде был бы проблематичным с точки зрения обнаружения и очистки. [16]

Ученые в областях исследований, отличных от оффшорной инженерии, также занимались пропахиванием морского дна. Например, биологи связали области морского дна, измененные ледовым пропахиванием, с образованием черных бассейнов , впадин морского дна, заполненных бескислородной водой высокой солености, которые являются смертельными ловушками для мелких морских организмов. [17] Однако большая часть этого, по-видимому, была задокументирована с точки зрения оффшорной инженерии, с целью разведки нефти. [18]

Обследование морского дна на предмет пропахивания

Иллюстрация операции эхолота, здесь с использованием многолучевого гидролокатора для картирования батиметрии морского дна.

Выемка морского дна льдом — это в высшей степени скрытое явление: мало признаков этого можно наблюдать с поверхности воды — редкие свидетельства включают в себя донные отложения, включенные в лед. [10] Интересующая информация об этих выемках включает: глубину, ширину, длину и ориентацию. [19] Частота выемок — количество выемок, образующихся в данном месте за единицу времени — является еще одним важным параметром. Этот вид информации был собран с помощью картирования морского дна с помощью судовых приборов, как правило, эхолота : эхолотов, таких как системы бокового сканирования и многолучевого сонара . [20] Повторное картирование подразумевает повторение этих обследований несколько раз с интервалом от нескольких до нескольких лет в качестве средства оценки частоты выемок. [21] [22]

Характеристики выемки

Морские пропахивания, образованные дрейфующими ледяными образованиями, могут достигать многих километров в длину. В Северной Канаде и на Аляске глубина пропахивания может достигать 5 метров (16 футов). [23] Однако большинство из них не превышает 1 метра (3 фута). Все, что глубже 2 метров, считается сообществом инженеров-офшорников экстремальным событием . Ширина пропахивания варьируется от нескольких метров до нескольких сотен метров. [24] [25] Максимальная глубина воды, на которой были зарегистрированы пропахивания, составляет от 450 до 850 метров (от 1480 до 2790 футов) к северо-западу от Шпицбергена в Северном Ледовитом океане. [26] Считается, что это остаточные следы, оставленные айсбергами во время плейстоцена , тысячи лет назад, когда уровень моря был ниже, чем сегодня. В море Бофорта , Северная Канада, было показано, что существует 50-километровая (30 миль) впадина с максимальной глубиной 8,5 метров (28 футов) и глубиной воды от 40 до 50 метров (от 130 до 160 футов). [21] Впадина не всегда прямая, а имеет разную ориентацию. Считается, что этому событию около 2000 лет. Было замечено, что недавние эпизоды посадки на мель, выдалбливания и фрагментации крупных антарктических айсбергов производят мощные гидроакустические и сейсмические сигналы, которые дополнительно освещают динамику процесса. [27]

Ледовые особенности

В открытом море элементы пропахивания образованы двумя видами льда: ледниковым и морским .

Анатомия изрытого морского дна с тремя зонами: Зона 1 — это место, где грунт удаляется (чтобы образовалась борозда), Зона 2 — это место, где происходит смещение грунта, и Зона 3 — где его нет.

Ледниковый лед

Физически и механически ледниковый лед похож на озерный лед, речной лед и сосульки . [28] [29] Причина в том, что все они образуются из пресной воды (несоленой воды). Ледяные щиты , ледяные шапки и ледники по сути состоят из ледникового льда . Поскольку ледниковый лед распространяется вбок и вниз по склону (под действием силы тяжести), [30] в некоторых районах этот лед достигает береговой линии. Там, где это происходит, в зависимости от рельефа, лед может распадаться на куски, которые падают в море, механизм, называемый отколом льда , и дрейфовать. В качестве альтернативы ледяные щиты могут распространяться от берега на обширные плавучие ледяные платформы, называемые шельфовыми ледниками , которые в конечном итоге также могут откалываться. Образования, образующиеся в результате этих процессов откола, известны как айсберги и могут иметь размер от метра до километра. Очень большие из них, называемые ледяными островами , [31] обычно имеют форму плиты. Они могут быть ответственны за экстремальные события пропахивания.

Морской лед

Морской лед является результатом замерзания морской воды . Он пористый и механически слабее ледникового льда . Динамика морского льда очень сложна. [32] [33] Под воздействием ветров и течений морской лед может в конечном итоге превратиться в торосы , нагромождение ледяных фрагментов или щебня , образуя длинные линейные образования. Это очень распространенный источник пропахивания морского дна. Торосы часто заключены внутри пространств дрейфующего пакового льда, так что пропахивание килями торосов морского льда тесно связано с движением пакового льда. Стамухи также являются нагромождениями битого морского льда, но они лежат на дне и поэтому относительно неподвижны. Они возникают в результате взаимодействия между припаем и дрейфующим паковым льдом. Стамухи могут проникать в морское дно на значительную глубину, и это также представляет опасность для подводных трубопроводов на подходах к берегу.

Динамика выдалбливания

Реакция киля

Из-за различий в природе ледникового льда и торосов давления события пропахивания от этих двух типов льда также различаются. В обоих случаях ожидается, что интерфейс лед-грунт сохранит определенный угол равновесия, называемый углом атаки , в течение которого процесс пропахивания достигает устойчивого состояния . Айсберги могут приспосабливаться к этому углу путем вращения. Торосы морского льда могут делать это посредством перераспределения обломков на интерфейсе киль-морское дно или посредством разрушения киля. [34]

Реакция морского дна

Реакция морского дна на процесс пропахивания зависит от свойств как льда, так и морского дна. Если предположить, что первый прочнее второго, а движущая сила льда достаточна, на морском дне образуется пропахивание. На основе реакции грунта различают три зоны в пределах морского дна. [35] [36] [37] [38] Зона 1 — это глубина пропахивания, где грунт был смещен ледяным образованием и ремобилизован в боковые бермы и передовую насыпь перед интерфейсом лед-морское дно. Зона 2 — это место, где грунт претерпевает некоторое смещение. В Зоне 3 смещение незначительное или отсутствует, но напряжения упругого характера передаются из зоны выше.

Прибрежный остров Нортстар в море Бофорта на Аляске в условиях открытой воды (летом) является примером производственного объекта, который использует подводный трубопровод для транспортировки ресурсов на сушу. [39] [40]

Арктическая шельфовая нефть и газ

Район к северу от Полярного круга может содержать значительное количество неразведанных запасов нефти и газа, до 13% и 30% соответственно, согласно USGS . [41] Этот ресурс, вероятно, находится на континентальных шельфах на глубине воды ниже 500 метров (1600 футов), что составляет около трети этой площади. Кроме того, до 2007 года было обнаружено более 400 месторождений нефти и газа, большинство из которых находятся на севере России и на Северном склоне Аляски.

Задача для оффшорной инженерии

Доступ представляет собой проблему. [42] Схема добычи на шельфе обязательно направлена ​​на безопасную и экономичную эксплуатацию в течение всего года и на весь срок службы проекта. Разработка добычи на шельфе часто состоит из установок на самом дне моря, вдали от опасностей на поверхности моря (ветер, волны, лед). В мелководье платформа добычи может опираться непосредственно на морское дно. В любом случае, если эти установки включают подводный трубопровод для доставки этого ресурса к береговой линии, значительная часть его длины может быть подвержена экзарационным событиям. [43]

Трубопровод заглублен ниже морского дна, чтобы избежать прямого столкновения с ледовым пропахиванием морского дна.

Защита подводных трубопроводов от выбоин

Согласно последним обзорам по этому вопросу, [1] [2] [3] [44] адекватная защита от пропахивания может быть достигнута путем заглубления трубопровода. Размещение трубопровода в Зоне 3 было бы самым безопасным вариантом, но затраты на этот вариант считаются непомерно высокими. Вместо этого текущая философия проектирования предусматривает расположение трубы в Зоне 2, которая все еще находится ниже глубины пропахивания, но где ожидается перемещение почвы в результате пропахивания над ней. Это подразумевает, что трубопровод должен претерпеть определенное количество изгиба и последующую деформацию или напряжение стенки трубопровода. Для действующего в настоящее время производственного участка North Star «минимальная глубина покрытия трубопровода (исходное нетронутое морское дно до верха трубы) для сопротивления нагрузкам ледяного киля была рассчитана на основе процедур проектирования предельного состояния для изгиба трубы». [45] Для этого конкретного участка «[прогнозируемые] смещения грунта морского дна под максимальной глубиной пропахивания ледяного киля (3,5 фута) дали минимальную глубину покрытия в 7 футов для деформаций изгиба трубы до 1,4%». [45]

Эта философия проектирования должна учитывать как минимум три источника неопределенности: [2]

Экологические проблемы

Разработка месторождений нефти и газа в арктических водах должна решать экологические проблемы с помощью надлежащих планов действий в чрезвычайных ситуациях. Некоторые районы Арктики покрыты льдом большую часть года. В зимние месяцы преобладает темнота. Если произойдет разлив нефти , он может остаться незамеченным в течение нескольких месяцев. [49] [50] Если предположить, что этот разлив будет обнаружен, процедуры очистки, вероятно, будут затруднены ледяным покровом. Кроме того, это удаленные места, поэтому в игру вступят логистические проблемы. Арктические экосистемы чувствительны — для смягчения последствий разлива нефти требуется своевременная реакция.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab King 2011
  2. ^ abcd Палмер и Бин 2011
  3. ^ ab Барретт 2011
  4. ^ abc Wadhams 2000, стр. 72
  5. ^ ab Weeks 2010, Гл. 13
  6. ^ Другие, менее часто используемые синонимы, включают плуги и срезы.
  7. ^ Благородство и комфорт 1982
  8. ^ Трава 1984
  9. ^ См., например, Аннандейл 2006.
  10. ^ abc Weeks 2010, стр. 391
  11. ↑ Weeks 2010, стр. 391: До тех пор «...что бы ни происходило между [льдом] и морским дном, это не вызывало достаточных проблем, чтобы попасть в чей-либо список проблем, требующих расследования».
  12. ^ Пилкингтон и Марцеллус 1981
  13. ^ Вудворт-Лайнас и др. 1985
  14. ^ Вудворт-Лайнас и др. 1996
  15. ^ Кларк и др. 1987
  16. ^ Макхейл и др. 2000
  17. ^ Квитек и др. 1998
  18. ↑ Weeks 2010, стр. 403
  19. ^ Sonnichsen & King 2011, например
  20. ↑ Weeks 2010, стр. 392
  21. ^ ab Blasco и др. 1998
  22. ^ Зоннихсен и др. 2005
  23. ^ Бин и др. 2008
  24. ^ Экетт и др. 2008
  25. ^ Ойкл и др. 2008
  26. ↑ Weeks 2010, стр. 395
  27. ^ Мартин и др. 2010
  28. ^ Хоббс 1974
  29. ^ Кубики льда, полученные в обычной бытовой морозильной камере, по сути, такие же, как ледниковый лед.
  30. ^ С помощью механизма, известного как ползучесть .
  31. ↑ Weeks 2010, стр. 399
  32. ^ Хаас 2003
  33. ↑ Weeks 2010, гл. 12
  34. ^ Кроусдейл и др. 2005
  35. ^ Палмер и др. 1990
  36. ^ Палмер 1997
  37. ^ Лёсет и др. 2006
  38. ^ Нобахар и др. 2007
  39. ^ Ланан и Эннис 2001
  40. ^ Ланан и др. 2011
  41. ^ Готье и др. 2009
  42. ^ Мёрк 2007
  43. ^ Палмер и Тунг 2012
  44. ^ Карденал и др. 2022
  45. ^ ab Ланан и др. 2011, стр. 3
  46. ^ например, Джордан 2005
  47. ^ Комисо 2002
  48. ^ Кубат и др. 2006
  49. ^ Тимко и Дэвис 1996
  50. ^ ДФ Дикинс 2000

Библиография