Введение
Результат взаимодействия дрейфующего льда и морского дна
Прокалывание морского дна льдом – это процесс, возникающий, когда плавучие ледяные образования (обычно айсберги и торосы) дрейфуют в более мелкие районы, и их киль соприкасается с морским дном. Продолжая дрейф, они образуют длинные узкие борозды, чаще называемые прогалинами или бороздами. Это явление распространено в прибрежных морских районах, где известно наличие льда. Хотя оно также встречается в реках и озерах, лучше всего оно задокументировано в океанах и морских просторах. Борозды на морском дне, образованные этим механизмом, не следует путать со штрудельными бороздами. Последние возникают из-за весеннего таяния воды, стекающей на поверхность морского льда и отводящейся через трещины, лунки дыхания тюленей и т.п. Образующаяся турбулентность достаточно сильна, чтобы вырезать углубление в морском дне. Прокалывание морского дна льдом также следует отличать от другого механизма образования борозд: эрозии отложений вокруг сооружений под воздействием водных течений – хорошо известной проблемы в морской инженерии и речной гидротехнике, например, размыв опор мостов.
Историческая перспектива и актуальность
Похоже, Чарльз Дарвин высказал предположение в 1855 году о том, что айсберги могут бороздить морское дно, дрейфуя вдоль изобат. Некоторые обсуждения о роли морского льда возникли в 1920-х годах, но в целом это явление оставалось малоизученным научным сообществом вплоть до 1970-х годов. В то время корабельные боковые сонары в Канадском море Бофорта начали собирать фактические данные, подтверждающие этот механизм. Впоследствии борозды на морском дне были обнаружены далее на север, в Канадском Арктическом архипелаге, а также в российской Арктике. Нефтяной разлив в этих условиях был бы проблематичен с точки зрения обнаружения и ликвидации. Ученые из областей, отличных от морской инженерии, также изучали борозды на морском дне. Например, биологи связали участки морского дна, измененные в результате бороздения льдом, с образованием "черных луж" – углублений на морском дне, заполненных аноксичной водой с высокой соленостью, которые являются смертельными ловушками для мелких морских организмов. Однако большая часть информации, по-видимому, была собрана с позиций морской инженерии в целях нефтеразведки.
Исследование морского дна на предмет выемки
Обрезка морского дна льдом – крайне скрытное явление: с поверхности воды заметить признаки этого практически невозможно – редкие свидетельства включают в себя осадочные отложения морского дна, включенные в лед. Частота пробоин – количество пробоин, образовавшихся в определенном месте за единицу времени – является еще одним важным параметром. Информация такого рода собирается посредством картографирования морского дна с использованием бортового оборудования, как правило, эхолота: устройств гидролокации, таких как боковой сканер и многолучевой сонар. Повторное картографирование подразумевает проведение этих обследований несколько раз с интервалом от нескольких лет до нескольких лет, что позволяет оценить частоту образования пробоин.
Характеристики гуги
Дрейфующие ледяные образования могут образовывать в морском дне борозды длиной в несколько километров. В Северной Канаде и на Аляске глубина борозды может достигать 1 метра, однако большинство не превышает 1 метр (3 фута). Глубина более 2 метров считается морскими инженерами экстремальным событием. Ширина борозды варьируется от нескольких метров до нескольких сотен метров. Максимальная глубина воды, на которой были зарегистрированы борозды, составляет от , к северо-западу от Шпицбергена в Северном Ледовитом океане. Предполагается, что это остаточные следы, оставленные айсбергами в плейстоцене, тысячи лет назад, когда уровень моря был ниже, чем сейчас. В море Бофорта, Северная Канада, была обнаружена 50-километровая борозда с максимальной глубиной от и на глубинах от . Борозда не всегда прямая, а меняет свою ориентацию. Считается, что этому событию около 2000 лет. Недавние эпизоды опирания, прорезания и фрагментации крупных антарктических айсбергов сопровождались мощными гидроакустическими и сейсмическими сигналами, которые позволяют лучше понять динамику этого процесса.
Ледяные особенности
В прибрежной морской среде, борозды и углубления формируются двумя видами льда: ледниковым и морским.
Ледниковый лед
Физически и механически ледниковый лёд схож с озёрным, речным льдом и сосульками. Причина в том, что все они формируются из пресной (не солёной) воды. Ледяные щиты, ледяные шапки и ледники по сути состоят из ледникового льда. Поскольку ледниковый лёд распространяется в стороны и вниз по склону (под действием силы тяжести), в некоторых районах он достигает береговой линии. В зависимости от рельефа, лёд может раскалываться на части, которые падают в море – этот процесс называется отколом льда, и эти части уплывают. В качестве альтернативы, ледяные щиты могут распространяться в море, образуя обширные плавучие ледяные платформы, называемые шельфовыми ледниками, которые также могут откалываться. Образования, возникающие в результате этих процессов откола, известны как айсберги и могут варьироваться в размерах от метра до километра. Особенно крупные, называемые ледяными островами, обычно имеют табличную форму и могут вызывать экстремальные борозды на дне.
Морской лед
Морской лед образуется в результате замерзания морской воды. Он пористый и механически менее прочный, чем ледниковый лед. Динамика морского льда крайне сложна. Под воздействием ветров и течений морской лед может формировать напорные торосы – скопления ледяных обломков и глыб, вытянутых в длинные линейные образования. Они являются частым источником бороздин на морском дне. Напорные торосы часто заключены внутри обширных участков дрейфующего пакового льда, поэтому активность прорезания дна килями торосов тесно связана с движением пакового льда. Стамухи также представляют собой скопления обломанного морского льда, но они опираются на дно и поэтому относительно неподвижны. Они образуются в результате взаимодействия между припайным льдом и дрейфующим паковым льдом. Стамухи могут проникать в морское дно на значительную глубину, что также представляет опасность для подводных трубопроводов вблизи береговых подходов.
Кильская реакция
Из-за различий в природе ледникового льда и торосов, процессы бороздования, вызванные этими двумя типами льда, также отличаются. В обоих случаях предполагается, что граница между льдом и грунтом будет поддерживать определенный угол равновесия, называемый углом атаки, при котором процесс бороздования достигает стационарного состояния. Айсберги могут адаптироваться к этому углу посредством вращения. Торосы могут это делать за счет перераспределения обломков в зоне контакта киля с морским дном или в результате разрушения киля.
Реакция морского дна
Реакция морского дна на процесс бороздования зависит от свойств как льда, так и морского дна. Если предположить, что лед прочнее грунта, и движущая сила льда достаточна, в морском дне образуется борозда. На основе характера деформации грунта выделяют три зоны в морском дне. Зона 1 – глубина борозды, где грунт был вытеснен ледяным образованием и перераспределен в боковые откосы и передний вал перед границей «лед-морское дно». В зоне 2 грунт испытывает некоторое смещение. В зоне 3 смещение грунта незначительно или отсутствует, но напряжения упругого характера передаются из вышележащей зоны.
Арктическая морская нефть и газ
В районе к северу от Северного полярного круга может содержаться значительное количество разведанных запасов нефти и газа, до 13% и 30% соответственно, по оценкам USGS. Эти ресурсы, вероятно, расположены на континентальных шельфах на глубинах более, что составляет около трети этой территории. Кроме того, к 2007 году было выявлено более 400 месторождений нефти и газа, большинство из которых сосредоточено на севере России и на Северном склоне Аляски.
Задача для морской инженерии
Доступ представляет собой проблему. Схема морской добычи, по необходимости, ориентирована на безопасную и экономичную работу на протяжении всего года и полного срока службы проекта. Объекты морской добычи часто состоят из установок непосредственно на морском дне, вдали от опасностей на поверхности моря (ветер, волны, лёд). На мелководье производственная платформа может опираться непосредственно на морское дно. В любом случае, если эти установки включают в себя подводный трубопровод для транспортировки ресурса к берегу, значительная часть его протяженности может подвергаться риску повреждений.
Защита подводных трубопроводов от прорыва
Согласно недавним обзорам по данной теме, адекватная защита от прорезания (выемки) может быть достигнута путем прокладки трубопровода под землей. Размещение трубопровода в зоне 3 было бы самым безопасным вариантом, но стоимость этого варианта считается чрезмерно высокой. Вместо этого, современная философия проектирования предусматривает размещение трубопровода в зоне 2, которая все еще находится ниже глубины прорезания, но где ожидается смещение грунта в результате прорезания над ним. Это подразумевает, что трубопровод должен испытывать определенную степень изгиба и, как следствие, деформацию или напряжение в стенке трубопровода. Для действующей производственной площадки "Северная звезда" минимальная глубина залегания трубопровода (от первоначального нетронутого дна до верхней точки трубы) для сопротивления нагрузкам ледового киля была рассчитана на основе предельных методов расчета при изгибе трубы. Для данного конкретного участка смещения грунта морского дна под максимальной глубиной прорезания килем (3,5 фута) привели к минимальной глубине залегания 7 футов для напряжений при изгибе трубы до 1,4%. Однако меняющиеся климатические условия являются дополнительным источником неопределенности, поскольку неясно, как изменение климата повлияет на будущие режимы прорезания. Деформация под прорезью: Прорезание морского дна льдом – относительно сложное явление, зависящее от ряда параметров (размеры и свойства киля, реакция грунта и т. д.). Даже если максимальную глубину прорезания можно определить, трудно оценить величину смещения грунта под ней – параметр, который учитывается при определении безопасной глубины прокладки трубопровода. Напряжение в трубопроводе: Еще одним источником неопределенности является величина напряжения, которому трубопровод, вероятно, будет подвергаться на заданной глубине ниже прорезания.
Экологические вопросы
Разработка нефтяных и газовых месторождений в арктических водах должна учитывать экологические риски посредством разработки надлежащих планов реагирования на аварийные ситуации. Значительная часть Арктики покрыта льдом большую часть года. В зимние месяцы там царит полярная ночь. В случае разлива нефти, он может оставаться незамеченным в течение нескольких месяцев. И даже если разлив будет обнаружен, работы по ликвидации последствий, скорее всего, будут затруднены ледовым покровом. Кроме того, это удаленные районы, что создает серьезные логистические проблемы. Арктические экосистемы очень уязвимы – для минимизации последствий разлива нефти требуется оперативное реагирование.