Численный анализ природы низких значений поверхностного теплового потока в глубоководной части Чёрного моря

Известно, что средние измеренные (фоновые) значения теплового потока в Западной впадине составляют 32±14 мВт/м² и в Восточной - 34±12 мВт/м² (Золотарёв и др., 1989а,б; Вержбицкий, 2002). В то же время в бортовых областях этих впадин с корой близкой к коре нормального континента тепловой поток быстро повышается до значений 50 - 60 мВт/м² и более (Вольвовский и др., 1989а,б; Золотарёв и др., 1989а, б). Несмотря на значительное число исследований, вопрос о природе низких значений теплового потока в глубоководных впадинах Чёрного моря до недавнего времени оставался открытым. Большая часть геотермических исследований рассматривала три процесса - осадконакопление, генерация тепла в осадочных породах и остывание литосферы бассейна - как основополагающие для формирования современного теплового потока изучаемых районов. Подробный анализ этих исследований приведён в работе (Галушкин и др., 2006), и здесь же мы лишь коротко остановимся на основных моментах их анализа. Отметим, например, что выводы работ (Смирнов, Галушкин, 1983; Смирнов, 1988; Золотарёв и др., 1989а) о значительном понижении теплового потока за счёт осадконакопления основаны на предположении о лавинной скорости отложения осадков в последний период развития бассейна. Так, в работах (Смирнов, Галушкин, 1983; Смирнов, 1988) предполагалось отложение около 7 км осадков за последние 5 млн. лет, а в работе (Золотарёв и др., 1989) - отложение не менее 2 км в четвертичный период развития бассейна. Однако, в свете новых сейсмических данных такие скорости осадконакопления выглядят сильно завышенными (см. табл. 1-15). Применение аппарата моделирования бассейнов для исследования цитированных выше процессов дало определённые преимущества по сравнению с анализом предыдущих работ. Прежде всего, оно позволило восстановить термическую историю осадочной толщи и подстилающей литосферы бассейна с учётом изменения термофизическмх характеристик пород с глубиной в соответствие с вариациями литологии, пористости и температуры в реальном разрезе осадочного чехла и фундамента бассейна. В связи с этим можно отметить, что в работах (Золотарёв и др., 1989а; Golmshtock et al., 1992; Вержбицкий, 2002; Вержбицкий и др., 2003), рассмотренных выше, теплообмен осадочной толщи и фундамента трактовался в упрощённой двухслойной модели, когда слой однородных осадков подстилается однородным фундаментом. К тому же предпринятый в этой главе анализ теплового поля использовал уточнённые сейсмические данные с более аккуратной оценкой возрастных границ осадочных формаций района. На основании расчётов, проведённых с реальным разрезом и реальными свойствами пород уплотняющихся осадков и фундамента, в работе (Галушкин и др., 2006) было показано, что любые варианты осадконакопления и эволюции бассейна, согласующиеся с имеющимися геолого-геофизическими данными, приводят к значениям теплового потока, заметно превышающим наблюдаемые. И, следовательно, одно лишь отложение осадков не может объяснить снижение глубинного теплового потока от значений 60-70 мВт/м² на глубине до 34 мВт/м² на поверхности дна. Мы покажем, что температурное влияние прорыва тяжёлых, но тёплых вод Средиземного моря около 7000 лет назад может объяснить современные низкие значения тепловых потоков в глубоководных частях Западной и Восточной котловин Чёрного моря (см. ниже).

Прежде чем приступать к моделированию вариаций теплового потока в рамках реального осадочного разреза, мы провели упрощённый анализ теплового поля для Восточно-Черноморской впадины, результаты которого обсуждались в разделе 5.10.2 книги и представлены в табл. 7-5. В этой таблице значения потоков, полученные методом номограмм, сопоставляются с расчётами теплового потока в рамках системы моделирования бассейнов для модели, включавшей отложение 8 км несжимаемых осадков с постоянной скоростью в течение 32 млн. лет на фундамент со свойствами, идентичными свойствам осадочных пород. Выбранная скорость отложения осадков соответствовала среднему значению для разреза (1) псевдоскважины 1 в табл. 1-15. Основной вывод, следующий из упрощённого анализа в разделе 5.10.2 и табл. 7-5, состоял в утверждении того факта, что умеренное осадконакопление, в отличие от лавинного, будет не уменьшать, а увеличивать тепловой поток на поверхности осадков по сравнению с глубинным за счёт вклада радиогенного тепла осадочных пород (Галушкин и др., 2006).

Признавая этот факт, мы в то же время отдаём отчёт в том, что номограммные методы дают лишь первое грубое приближение ситуации, они не учитывают многие важные процессы в формировании теплового режима литосферы бассейна, такие как изменение глубинного теплового потока со временем, утонение корового слоя литосферы, изменение литологии и петрофизических характеристик осадков с гллубиной и др. И здесь системы моделирования бассейнов имеют явное преимущество перед номограммными методами, так как позволяют проводить расчёты с учётом истории осадконакопления и вариаций теплофизических и литологических характеристик осадков, максимально приближенными к наблюдаемым в реальных разрезах бассейнов. Выводы, сделанные с применением этих систем, обладают большей достоверностью, чем полученные с использованием упрощённых номограмм, предполагающих отложение с постоянной скоростью однородных несжимаемых осадков на однородный фундамент.

В предыдущем разделе главы мы анализировали исходную базу данных и результаты численных реконструкций эволюции температурных условий в осадочной толще и литосфере четырёх разрезов глубоководной части Чёрного моря, полученные в рамках системы моделирования бассейнов ГАЛО. Характерно, что глубинный тепловой поток, рассчитанный в нашей модели для настоящего времени, оказывается близким к значению глубинного теплового потока, оцененного в работах (Вержбицкий, 2002; Вержбицкий и др., 2003). Мощность современной литосферы и её термическое состояние, оцененные в нашей модели (рис. 8-15) и в цитированных работах, также близки друг к другу. Однако, остаётся проблема природы измеренных значений теплового потока, которые оказываются заметно ниже представленных на рис. 8-15 величин, тем более что объяснение этого факта в предыдущих геотермических исследованиях нельзя признать корректным (Галушкин и др., 2006). Анализ проблемы, кратко описанный выше, приводит к заключению, что должна существовать причина, дополнительная к осадконакоплению, объясняющая понижение поверхностного теплового потока во впадинах Чёрного моря. Такой причиной, как будет показано ниже, являются особенности водного баланса бассейна Чёрного моря в голоцене.

Стратиграфия осадочной колонки выше палеозойского фундамента в проливе Босфор предполагает, что этот пролив был пресноводным озером между 26000 и 5300 годами до новой эры. Специфика осадочных отложений пролива Босфор указывает на то, что современный режим двойного течения в проливе (в Мраморное море из Чёрного в верхних 30 м водной толщи и из Мраморного моря (Средиземного) в Чёрное – в нижних горизонтах водной толщи) установился около 4400 лет назад (Algan et al., 2001). По данным спутников поверхность Чёрного моря на 30 см выше поверхности Мраморного моря, тогда как поверхность последнего на 5-27 см выше уровня северной части Эгейского моря. Как отмечалось, в настоящее время обмен водой через Босфорский пролив – двухуровневый. Более холодные и менее соленые (17-20^о/_оо) воды Чёрного моря текут по поверхности на юг, а более тёплые и более солёные (38-39^о/_оо) воды Средиземного моря текут на север в нижних горизонтах пролива. Во время оледенений последних 150000 лет пролив высыхал (обнажалось дно) При этом уровень воды в Чёрном море был на 150 м ниже современного. Предполагают, что после последнего оледенения уровень Чёрного моря рос постепенно и достиг перемычки пролива Босфор, после чего 12000 – 9000 лет назад установилось течение в Средиземное море из Мраморного. Когда 12000 лет назад уровень Эгейского моря достиг перемычки пролива Дарданеллы, уровень Мраморного моря был на 90 м выше Эгейского и, соответственно, течение было с севера на юг. 11000-10000 лет назад Чёрное море уже имело превышение уровня над Босфором около 40 м и начало сливать воду в Мраморное море. И только тогда, когда уровень Чёрного моря сравнялся с уровнем мирового океана и поток из него ослабел, первые солёные воды Средиземного моря начали проходить через Босфор. Это случилось около 7500 лет назад (Aksu et al., 2002). В работах (Demirbag et al., 1999; Ballard et al., 2000; Gorur et al., 2001) утверждается, что резкое углубление шельфа Чёрного моря (на 100-160 м) и значительное расширение его площади (до современных размеров) произошло в интервале от 7460 до 6820 лет назад (Ballard et al., 2000) с предпочтительным сроком 7150 лет назад (Gorur et al., 2001) в результате прорыва вод Средиземного моря в Чёрное. До этого Чёрное море было пресноводным бассейном, поставлявшим воду в Мраморное море. В результате установилось двухуровневое течение. Возможно, 7150 лет назад такое течение начало формироваться, а 4400 лет назад, как отмечалось выше, установился современный режим двойного течения, при котором вода в верхних 30 м текла из Чёрного моря в Мраморное, а ниже - из Мраморного (Средиземного) в Чёрное (Algan et al., 2001). Современная температура на дне Чёрного моря на глубине около 2200 м в Восточной и Западной котловиах около 9.1°С.

Мы провели анализ возможного влияния изменения температур придонных вод восточной котловины Чёрного моря в голоцене на значение современного теплового потока, измеряемого в её придонных осадочных отложениях. Выше отмечалось, что этот вопрос рассматривался ранее в работе (Золотарёв и др., 1989а), где предполагалось, что средиземноморская вода начала проникать в Чёрное море около 9000 лет тому назад и что это вторжение длилось 2000 лет. Моделируя вторжение вод подъёмом температуры дна на 5°С в интервале времени между 9000 и 7000 лет и считая, что в последующее время вода охлаждалась, авторы получили климатическую поправку к тепловому потоку в 1-2 мВт-м^-2 и пришли к выводу, что она пренебрежима. В настоящем анализе мы используем последние данные по хронологии изменения температуры придонных вод Чёрного моря, которые, заметно отличаются от использованных в работе (Золотарёв и др., 1989а). Вторым существенным моментом анализа является расчёт температур в реального осадочном разрезе бассейна с меняющимися по глубине петрофизическими характеристиками пород вместо однородной среды, предполагавшейся в (Золотарёв и др., 1989а). В наших расчётах распределение температур, полученное в общей процедуре моделирования бассейнов (рис. 7-15; 8-15) на настоящее время и показанное на левом рис. 9-15, служило начальным распределением для моделирования влияния голоценовых изменений в температуре придонных вод на тепловой поток. В процессе моделирования влияния вариаций придонных вод в подошве осадочного слоя, т.е. на глубине 9 920 м поддерживался постоянный тепловой поток, соответствующий потоку на этой глубине, полученному в процедуре общего моделирования бассейнов и отвечающего распределению температур на левом рис. 9-15. Моделирование осуществлялось с использованием модификации пакета ГАЛО, описанной в главе 10 и работе (Galushkin, 1997).

Рис. 9-15. Вычисленные вариации температуры (левый и средний рис.) и теплового потока (правый рис.) в осадочной толще разреза псевдоскв. 1 Восточной котловины Чёрного моря (Галушкин и др., 2006).

1 – расчёты, сделанные в предположении, что температура придонных вод моря равнялась 1°С для времени ранее 5 тысяч лет назад (Т=1°С при t < - 5 200 лет назад), линейно росла до современной температуры 9.1°С на дне Чёрного моря на глубине 2 200 м от 5 200 до 3 000 лет назад (1°С < T < 9.1°C при –5 200 < t < - 3 000 лет назад) и сохранялась неизменной с 3 000 назад по настоящее время (T=9.1°C при - 3 000 < t £ 0 лет назад). Рассчитанное в этом варианте значение современного теплового потока на поверхности осадочной толщи (на дне моря) q_surf=34.2 мВт/м².

2 – распределение температуры в осадочной толще, рассчитанное в общей процедуре моделирования бассейнов (левый рис.) и служившее исходным распределением для моделирования влияния вариаций донных температур.

3 – расчёты, проведённые в предположении, что температура придонных вод моря равнялась 1°С для времён ранее 7.2 тысяч лет назад (Т=1°С при t < - 7 200 лет назад), линейно росла до современной температуры 9.1°С от 7 200 до 4 500 лет назад (1°С < T < 9.1°C при –7 200 < t < - 4500 лет назад) и сохранялась неизменной с 4 500 назад по настоящее время (T=9.1°C при - 4500 < t £ 0 лет назад). Рассчитанное в этом варианте значение q_surf=38.5 мВт/м².

Рис. 9-15 иллюстрирует результаты численного анализа влияния вариаций в температуре придонных вод на распределение температуры (средний рис.) и теплового потока (правый рис.) с глубиной в верхних 1000 м осадочного разреза Восточной котловины Чёрного моря в районе псевдоскв. 1. Чтобы представить порядок возможных изменений в результатах моделирования, вызванных неточностью исходных данных, анализируются два варианта изменений донной температуры. Первый из них (кривые 3 на среднем и правом рисунках 10-15) соответствуют в общих чертах истории формирования течений Чёрного моря, рассмотренной в последних работах (Demirbag et al., 1999; Ballard et al., 2000; Gorur et al., 2001; Algan et al., 2001; Aksu et al., 2002) и обсуждавшейся выше. В этом варианте температура придонных вод на глубине 2 200 м, равная 1°С для времени ранее 7.2 тысячи лет назад, линейно росла до современной температуры 9.1°С от 7 200 до 4 500 лет назад (т.е. 1°С < T < 9.1°C при –7 200 < t < - 4 500 лет назад) и затем сохранялась неизменной по настоящее время (T=9.1°C при - 4 500 < t £ 0 лет назад). Эволюцию распределения температур и теплового потока в результате изменения донных температур можно представить, сравнивая кривые 3 на рис. 10-15 с кривыми 2 на этих рисунках, представляющими начальные (до возмущения) распределения температур и теплового потока. Характерно заметное уменьшение поверхностного теплового потока от значения около 60 мВт/м² до q_surf=38.5 мВт/м². Расчёты, представленные кривыми 1 на среднем и правом рис. 10-15, соответствовали второму варианту изменения температуры придонных вод со временами изменения температуры, смещёнными к современным. В этом варианте температура придонных вод, равная 1°С для времени ранее 5 тысяч лет назад, линейно росла до 9.1°С от 5 200 до 3 000 лет назад (1°С < T < 9.1°C при –5 200 < t < - 3 000 лет назад) и затем сохранялась неизменной по настоящее время (T=9.1°C при - 3 000 < t £ 0 км). В этом варианте рассчитанное значение современного теплового потока на поверхности осадочной толщи (на дне моря) составляло q_surf=34.2 мВт/м² и было близко к среднему от измеренных в восточной котловине моря.

На рис. 10-15 показаны результаты аналогичного численного анализа влияния вариаций в температуре придонных вод на распределение температуры (слева) и теплового потока (справа) с глубиной в верхних 1000 м осадочного разреза Западной впадины Чёрного моря (в районе псевдоскважины 2). Рассчитанная величина современного теплового потока через поверхность дна составляет здесь 30.4 мВт/м², что близко к измеренному значению. Разумеется, дальнейшие уточнения времени формирования течений, связывающих Чёрное и Средиземное моря, а также характера эволюции температуры придонных вод Чёрного моря внесут свои поправки в наши оценки. Независимо от них полученные результаты убедительно свидетельствуют в пользу значительной роли голоценовых вариаций придонных температур в формировании низких значений теплового потока через дно глубоководных впадин Чёрного моря при относительно высоком уровне глубинного теплового потока в регионе. Рассмотренный эффект должен проявляться сильнее именно в глубоких придонных частях моря, куда прежде всего устремились тяжёлые солёные, но тёплые, воды из Средиземного (Мраморного) моря. Амплитуда воздействия этого эффекта сильно зависит от локального рельефа и глубины дна моря, и поэтому становится понятной заметная изменчивость измеренного теплового потока по площади Чёрного моря (Вержбицкий, 2002).

Рис. 10-15. Влияние вариаций в температуре придонных вод на распределение температуры (слева) и теплового потока (справа) с глубиной в верхней части осадочного разреза Западной котловины Чёрного моря в районе псевдоскв. 2.

1 – расчёты, сделаны в предположении, что температура придонных вод моря равнялась 1°С для времён ранее 5.2 тысяч лет назад (Т=1°С при t < - 5 200 лет назад), линейно росла до современной температуры дна 9.1°С на дне Чёрного моря на глубине 2 200 м от 5 200 до 3 000 лет назад (1°С < T < 9.1°C при –5 200 < t < - 3 000 лет назад) и сохранялась неизменной с 3 000 назад по настоящее время (T=9.1°C при - 3 000 < t £ 0 лет назад). Рассчитанное значение современного теплового потока на поверхности осадочной толщи (на дне моря) q_surf=30.4 мВт/м².

2 – распределение температуры в осадочной толще, рассчитанное в общей процедуре моделирования бассейнов (рис. 5) и служившее исходным распределением для моделирования влияния вариаций донных температур.