Обледенение морского дна - Seabed gouging by ice
Обледенение морского дна это процесс, который происходит, когда плавучие льды (обычно айсберги и гряды морского льда ) дрейфуют на более мелкие участки, и их киль соприкасается с морское дно.[1][2][3] Продолжая дрейфовать, они образуют длинные узкие борозды, которые чаще всего называют выбоины, или же рыскает.[4][5][6] Это явление распространено в прибрежных районах, где, как известно, существует лед. Хотя это также встречается в реках и озерах,[7][8] это, кажется, лучше документировано с океанов и морских просторов.[2][4][5]
Размыв морского дна, производимый с помощью этого механизма, не следует путать с штрудель чистит. Они возникают в результате весеннего стока воды, стекающей на поверхность данного ледяного пространства, которая в конечном итоге стекает через трещины, герметичные отверстия для дыхания и т. Д. Возникающая турбулентность достаточно сильна, чтобы вырезать углубление в морском дне. Очистку морского дна льдом также следует отличать от другого механизма размыва: размыва наносов вокруг сооружения из-за течений воды, хорошо известной проблемы в океанской инженерии и речной гидравлике.[9] - видеть промывка моста.
Историческая перспектива и актуальность
Похоже, Чарльз Дарвин размышлял в 1855 году о возможности того, что айсберги могут выдолбить морское дно, когда они дрейфуют через изобаты.[10] Некоторая дискуссия о влиянии морского льда возникла в 1920-х годах, но в целом это явление оставалось малоизученным научным сообществом до 1970-х годов.[11] В то время судовые гидролокаторы бокового обзора в канадском море Бофорта начали собирать реальные доказательства этого механизма. Впоследствии борозды морского дна наблюдались дальше на север, в Канадском Арктическом архипелаге, а также в Российской Арктике.[4] В течение того десятилетия ледовая прополка морского дна широко исследовалась.
Неожиданный интерес к этому явлению вызвали открытие нефти у северных берегов Аляски и два связанных фактора:[10] 1) перспектива того, что нефтяные месторождения могут изобиловать этими водами, и 2) соображение, что подводные трубопроводы будут вовлечены в будущие производственные разработки, так как это представлялось наиболее практичным подходом к доставке этого ресурса на берег. С тех пор средства защиты этих сооружений от воздействия льда стали важной проблемой.[12][13][14][15] An разлив нефти в этой среде было бы проблематично с точки зрения обнаружения и очистки.[16]
Ученые в других областях исследований, помимо морского инжиниринга, также занимались проблемой пропахивания морского дна. Например, биологи связали участки морского дна, форма которых изменилась в результате прорыва дна льдом, с образованием черных луж, углублений морского дна, заполненных аноксический вода с высокой соленостью, которая является смертельной ловушкой для мелких морских организмов.[17] Однако большая часть этого, похоже, была задокументирована с точки зрения морского инжиниринга с целью разведки нефти.[18]
Обследование морского дна на наличие пропастей
Обледенение морского дна - явление в высшей степени незаметное: над поверхностью воды его почти не видно - странные свидетельства включают отложения морского дна, включенные в лед.[10] Информация об этих выемках включает: глубину, ширину, длину и ориентацию.[19] Частота строжки - количество зарезов, произведенных в определенном месте за единицу времени, - еще один важный параметр. Такая информация была собрана посредством картирования морского дна с помощью судовых приборов, обычно жиромер: устройства для зондирования эха, такие как боковой обзор и многолучевой сонар системы.[20] Повторное картирование включает повторение этих съемок несколько раз с интервалом от нескольких до нескольких лет в качестве средства оценки частоты пропахивания.[21][22]
Характеристики пропахивания
Долины морского дна, образованные дрейфующими льдами, 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 превышают 1 метр (3 фута). Все, что глубже 2 метров, считается в морском инженерном сообществе экстремальное событие. Ширина пропахивания составляет от нескольких метров до нескольких сотен метров.[24][25] Максимальная глубина воды, на которой зарегистрированы канавы, колеблется от 450 до 850 метров (от 1480 до 2790 футов) к северо-западу от Свальбард в Северном Ледовитом океане.[26] Считается, что это остатки следов айсбергов во время Плейстоцен тысячи лет назад, когда уровень моря был ниже, чем сегодня. в Море Бофорта В Северной Канаде было показано, что существует пропасть длиной 50 км (30 миль) с максимальной глубиной 8,5 метров (28 футов) и глубиной воды от 40 до 50 метров (от 130 до 160 футов).[21] Выемка не всегда прямая, но имеет различную ориентацию. Считается, что этому событию около 2000 лет. Наблюдались недавние эпизоды посадки на мель, выдолбления и фрагментации крупных антарктических айсбергов, которые вызвали мощные гидроакустические и сейсмические сигналы, которые еще больше проливают свет на динамику этого процесса.[27]
Особенности льда
В морских условиях объекты для пропахивания льда состоят из двух видов льда: ледяной лед и морской лед.
Ледяной лед
Физически и механически, ледяной лед сродни озерному льду, речному льду и сосульки.[28][29] Причина в том, что все они образуются из пресная вода (несоленая вода). Кусочки льда, ледяные шапки и ледники в основном состоит из ледяной лед. Поскольку ледниковый лед распространяется вбок и вниз (под действием силы тяжести),[30] в некоторых районах лед достигает береговой линии. В этом случае, в зависимости от топографии, лед может расколоться на части, которые упадут в море. Этот механизм называется ледяной отел, и уплыть. В качестве альтернативы ледяные щиты могут распространяться от берега на обширные плавучие ледовые платформы, называемые шельфовые ледники, который в конечном итоге тоже может отелиться. Характеристики, создаваемые этими процессами отела, известны как айсберги и может иметь размер от метра до километра. Очень большие, называемые ледяные острова,[31] обычно имеют табличную форму. Они могут быть причиной экстремальных случаев строжки.
Морской лед
Морской лед это результат замораживания морская вода. Он пористый и механически слабее, чем ледяной лед. Динамика морского льда очень сложна.[32][33] Под воздействием ветров и течений морской лед может в конечном итоге превратиться в гребни давления скопление осколков льда, или щебень, составляя длинные линейные элементы. Это очень частый источник трещин на морском дне. Гребни давления часто заключены в пространствах дрейфующего пакового льда, так что выщелачивание килей гребней морского льда тесно связано с движением паковых льдов. Стамухи также являются скоплениями битого морского льда, но они заземлены и поэтому относительно неподвижны. Они возникают в результате взаимодействия между припай и дрейфующий паковый лед. Stamukhi может проникать на морское дно на значительную глубину, и это также представляет опасность для подводные трубопроводы на подходах к берегу.
Динамика строжки
Киль реакция
Из-за различий в характере ледяной лед и гребни давления, случаи сдавливания этих двух типов льда также различаются. В обоих случаях ожидается, что граница раздела лед-грунт сохранит определенный угол равновесия, называемый угол атаки, во время которого в процессе строжки достигается устойчивое состояние. Айсберги можно подстроиться под этот угол вращением. Гряды морского льда могут происходить из-за перегруппировки щебня на границе раздела киль-дно или из-за разрушения киля.[34]
Реакция морского дна
Реакция морского дна на процесс пропахивания зависит от свойств льда и морского дна. Если предположить, что первое сильнее второго и движущая сила льда достаточна, на морском дне образуется борозда. На основании реакции грунта выделяются три зоны на морском дне.[35][36][37][38] Зона 1 - глубина пропасти, при которой грунт был вытеснен ледяным покровом и перемобилизован в боковые бермы и переднюю насыпь перед границей раздела лед-морское дно. Зона 2 это место, где почва претерпевает некоторое смещение. В Зона 3, смещение незначительное или отсутствует, но напряжения упругого характера передаются из зоны выше.
Нефть и газ на шельфе Арктики
Район к северу от Полярный круг может содержать значительное количество неоткрытой нефти и газа, до 13% и 30%, соответственно, согласно USGS.[41] Этот ресурс, вероятно, лежит в континентальные шельфы на глубине воды менее 500 метров (1600 футов), что составляет около одной трети этой площади. Кроме того, до 2007 года было выявлено более 400 нефтяных и газовых месторождений, большинство из них на севере России и на Северном склоне Аляски.
Вызов для морского инжиниринга
Доступ представляет собой проблему.[42] Схема добычи на море обязательно нацелена на безопасную и экономичную работу в течение года и на протяжении всего срока реализации проекта. Развитие морской добычи часто представляют собой установки на самом морском дне, вдали от опасностей на поверхности моря (ветра, волн, льда). На мелководье эксплуатационная платформа может опираться непосредственно на морское дно. В любом случае, если эти установки включают подводный трубопровод к доставить этот ресурс до береговой линии, значительная часть ее длины может быть подвержена прополосканию.[43]
Защита подводных трубопроводов от пожаров
Согласно недавним обзорам на эту тему,[1][2][3] Адекватная защита от пропахивания может быть достигнута за счет 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 там, где ожидается смещение грунта в результате пропахивания над ней. Это означает, что трубопровод должен пройти определенное количество изгиб и последующая деформация, или напряжение, стенки трубопровода. Для действующей в настоящее время производственной площадки North Star, «[t] минимальная глубина покрытия трубопровода (исходное ненарушенное морское дно до верхней части трубы), чтобы выдерживать нагрузки на ледяной киль, была рассчитана на основе процедур проектирования предельных состояний для изгиба трубы».[44] Для этого конкретного участка «[p] перерисованные смещения грунта морского дна ниже максимальной глубины пропахивания ледяного киля (3,5 фута) дали минимальную глубину покрытия 7 футов для деформаций изгиба трубы до 1,4%».[44]
Эта философия проектирования должна иметь дело как минимум с тремя источниками неопределенности:[2]
- Максимально ожидаемая глубина пропахивания: Основываясь на предыдущем режиме пропахивания (особенно в распределении глубины пропахивания и частоте пропахивания), необходимо полагаться на вероятностный анализ для оценки вероятной максимальной глубины пропахивания на планируемом участке развертывания трубопровода в течение всего срока его эксплуатации (например, 20–40 лет). Этот тип анализа не является чем-то необычным для гражданского строительства - на эту тему написаны учебники.[45] Но изменение климата[46][47] являются дополнительным источником неопределенности, поскольку неизвестно, как изменение климата повлияет на будущие режимы взвинчивания.
- Подрезанная деформация: Обледенение морского дна - относительно сложное явление, зависящее от ряда параметров (размеры и свойства киля, реакция почвы и т. Д.). Даже если можно установить максимальную глубину пропахивания, трудно оценить величину смещения грунта под ней - параметр, который учитывается при определении безопасной глубины заглубления трубопровода.
- Деформация трубопровода: Еще один источник неопределенности - это величина деформации, которую трубопровод, вероятно, увидит на заданной глубине ниже пропасти.
Экологические проблемы
При разработке нефтяных и газовых месторождений в арктических водах необходимо решать экологические проблемы с помощью соответствующих планов действий в чрезвычайных ситуациях. Часть Арктики большую часть года покрыта льдом. В зимние месяцы царит темнота. Если разлив нефти происходит, он может оставаться незамеченным в течение нескольких месяцев.[48][49] Если предположить, что разлив обнаружен, процедурам по очистке, вероятно, будет препятствовать ледяной покров. Кроме того, это удаленные места, поэтому возникнут логистические проблемы. Арктические экосистемы чувствительны - требуется своевременное реагирование для смягчения последствий разлива нефти.
Смотрите также
- Дрейфующий лед
- Айсберг
- Морское геотехническое проектирование
- Подводный трубопровод
- Напорный гребень (лед)
- Стамуха
- Штрудель (лед)
- Ляп
Рекомендации
- ^ а б Король 2011
- ^ а б c d Палмер и Бин 2011
- ^ а б Заколка 2011
- ^ а б c Wadhams 2000, стр. 72
- ^ а б Недели 2010, гл. 13
- ^ Другие менее часто используемые синонимы включают плуги и оценки
- ^ Благородство и комфорт 1982
- ^ Трава 1984
- ^ См., Например, Annandale 2006
- ^ а б c Недели 2010, стр. 391
- ^ Недели 2010, стр. 391: До тех пор, «... все, что происходило между [льдом] и морским дном, не создавало достаточных проблем, чтобы попасть в чей-либо список проблем, требующих расследования».
- ^ Пилкингтон и Марцелл 1981
- ^ Woodworth-Lynas et al. 1985 г.
- ^ Woodworth-Lynas et al. 1996 г.
- ^ Кларк и др. 1987 г.
- ^ McHale et al. 2000 г.
- ^ Kvitek et al. 1998 г.
- ^ Недели 2010, стр. 403
- ^ Sonnichsen & King 2011, например
- ^ Недели 2010, стр. 392
- ^ а б Blasco et al. 1998 г.
- ^ Sonnichsen et al. 2005 г.
- ^ Been et al. 2008 г.
- ^ Héquette et al. 2008 г.
- ^ Oickle et al. 2008 г.
- ^ Недели 2010, стр. 395
- ^ Martin, S .; Drucker, R .; Aster, R .; Дэйви, Ф .; Okal, E .; Scambos, T .; Макайил, Д. (2010). «Кинематический и сейсмический анализ гигантских табличных разрывов айсбергов на мысе Адэр в Антарктиде». J. Geophys. Res. 115 (B6): B06311. Bibcode:2010JGRB..115.6311M. Дои:10.1029 / 2009JB006700.
- ^ Хоббс 1974
- ^ Кубики льда, произведенные в стандартной домашней морозильной камере, в основном такие же, как ледяной лед.
- ^ С помощью механизма, известного как слизняк.
- ^ Недели 2010, стр. 399
- ^ Хаас 2003
- ^ Недели 2010, гл. 12
- ^ Croasdale et al. 2005 г.
- ^ Палмер и др. 1990 г.
- ^ Палмер 1997
- ^ Løset et al. 2006 г.
- ^ Nobahar et al. 2007 г.
- ^ Ланан и Эннис 2001
- ^ Lanan et al. 2011 г.
- ^ Готье и др. 2009 г.
- ^ Mørk 2007
- ^ Палмер и Тунг 2012
- ^ а б Lanan et al. 2011, стр. 3
- ^ например Йордан 2005
- ^ Comiso 2002
- ^ Кубат и др. 2006 г.
- ^ Тимко и Дэвис 1996
- ^ Д.Ф. Дикинс 2000
Библиография
- Абдалла Б., Джукс П., Эльтахер А., Дюрон Б. (2008) Технические проблемы проектирования нефте- и газопроводов в Арктике, OCEANS 2008 IEEE Proceedings, Квебек, Канада, стр. 1–11.
- Аннандейл Г.В. (2006) Технология очистки: механика и инженерная практика, McGraw-Hill, New York, 420 с.
- Барретт, П. (2011). «Защита морского трубопровода от ледяного пропахивания морского дна: обзор». Наука и технологии в холодных регионах. 69: 3–20. Дои:10.1016 / j.coldregions.2011.06.007.
- Been K., Sancio R.B., Ahrabian D., Deltares W.V.K., Croasdale K., Palmer A. (2008) Смещение субстрата в глинах по результатам физических испытаний, Материалы 5-й Международной трубопроводной конференции (IPC), Американское общество инженеров-механиков (ASME), Калгари, Канада.
- Blasco S.M., Shearer J.M., Myers R. (1998) Очистка морского дна морским льдом: процесс очистки и интенсивность ударов: канадский шельф Бофорта. Материалы 1-го семинара по ледовому размыву и арктическим морским трубопроводам, 13-го Международного симпозиума по Охотскому морю и морскому льду, Момбецу, Хоккайдо, стр. 53–58.
- Кларк Дж. И., Чари Т. Р., Ландва Дж., Вудворт-Лайнас К.М.Т. (1987) Выбор маршрута трубопровода на морском дне, вымытом айсбергами, Труды 40-й Канадской геотехнической конференции. Канадское геотехническое общество (CGS), Regina, стр. 131–138.
- Комизо, Дж. К. (2002). «Быстро сокращающийся многолетний морской ледяной покров в Арктике». Письма о геофизических исследованиях. 29 (20): 17-1–17-4. Bibcode:2002GeoRL..29.1956C. Дои:10.1029 / 2002gl015650.
- Кросдейл, К., Комфорт, Г., Бин, К. (2005) Исследование ледовых пределов ледовой прополки, Материалы 18-й Международной конференции по портовой и океанической инженерии в арктических условиях (POAC), Потсдам, стр. 23–32.
- DF DICKINS & Associates Ltd. (2000) Обнаружение и отслеживание нефти подо льдом, Минеральные службы управления (MMS). Херндон.
- Gautier, D.L .; Bird, K.J .; Charpentier, R.R .; Grantz, A .; Houseknecht David, W .; Klett, T.R .; Moore, T.E .; Pitman, J.K .; Schenk, C.J .; Schuenemeyer, J.H .; Соренсен, К .; Tennyson, M.E .; Валин, З.Ц .; Уандри, Си-Джей (2009). «Оценка неоткрытых запасов нефти и газа в Арктике». Наука. 324 (5931): 1175–1179. Bibcode:2009Sci ... 324.1175G. Дои:10.1126 / science.1169467. PMID 19478178.
- Грасс Д.Д. (1984) Исследования ледовой эрозии и образования ледяных гряд в озере Эри. Материалы 7-го Международного симпозиума по льду. Ассоциация гидротехники и исследований (IAHR), Гамбург, стр. 221–236.
- Хаас К. (2003) Динамика в сравнении с термодинамикой: распределение толщины морского льда. В: Томас Д. Н. и Дикманн Г. С. (ред.), Морской лед - Введение в его физику, химию, биологию и геологию, Blackwell Science, Malden, MA (США), стр. 82–111.
- Héquette, A .; Desrosiers, M .; Барнс, П.В. (1995). «Промывка морского льда на внутреннем шельфе юго-восточного канадского моря Бофорта». Морская геология. 128 (3–4): 201–219. Bibcode:1995MGeol.128..201H. Дои:10.1016 / 0025-3227 (95) 00095-г.
- Хоббс, П. (1974) Физика льда, Oxford University Press, Нью-Йорк, 864 с.
- Йордан, И.Дж. (2005) Решения в условиях неопределенности: вероятностный анализ инженерных решений, Cambridge University Press, 672 стр.
- Кинг, Т. (2011). «Защита трубопроводов от ледовой пропастовки». Журнал трубопроводной инженерии. 10 (2): 115–120.
- Кубат И., Горман Р., Коллинз А., Тимко Г. (2006) Влияние изменения климата на правила северного судоходства, Труды 7-й Международной конференции по судам и морским сооружениям в холодных регионах (ICETECH), стр. 1–8.
- Квитек Р.Г., Конлан К.Е., Ямпьетро П.Дж. (1998) Черные лужи смерти, гипоксические, заполненные рассолом ледяные пропасти, https://www.int-res.com/articles/meps/162/m162p001.pdf ](PDF, Серия «Прогресс в морской экологии».
- Ланан Г. А., Эннис Дж. О. (2001) Проектирование и строительство морского арктического трубопровода Northstar, Материалы 33-го Конференция по оффшорным технологиям (OTC), Хьюстон, стр. 621-628.
- Ланан Г. А., Коуин Т. Г., Джонстон Д. К. (2011) Проектирование, установка и эксплуатация трубопровода в море Бофорта на Аляске, Труды 43-го Конференция по оффшорным технологиям (OTC), Хьюстон.
- Лейдерсдорф, К.Б., Хиерон, Г.Э., Холлар, Р.С., Гадд, П.Е., Салливан, Т.К. (2001) Данные ледовой пропасти и штруделя для трубопроводов Northstar, Труды 16-й Международной конференции по портовой и океанической инженерии в арктических условиях (POAC), Оттава, стр. 145–154.
- Лёсет, С., Шхинек, К.Н., Гудместад, О.Т. и Høyland, K.V. (2006) Воздействие льда на арктические морские и прибрежные сооружения. Краснодар, Санкт-Петербург, 271 с.
- Макхейл Дж. Э., Дикинс Д. Ф., Гловер Н. В. (2000) Реагирование на разливы нефти в ледяных водах, Материалы 2-го семинара по ледовому размыву и арктическим морским трубопроводам, 15-го Международного симпозиума по Охотскому морю и морскому льду (Момбецу, Хоккайдо)С. 15-51.
- Мёрк, К. (2007). «Проблемы, стоящие перед арктическими газопроводами - принципы проектирования для экстремальных условий». Офшор. 67: 9.
- Nobahar, A .; Kenny, S .; Филлипс, Р. (2007). «Заглубленные трубопроводы, подверженные субзабойным деформациям». Международный журнал геомеханики. 7 (3): 206–216. Дои:10.1061 / (ASCE) 1532-3641 (2007) 7: 3 (206).
- Ноубл П.Г., Комфорт Г. (1982) Повреждение подводного трубопровода ледяными грядами, в: Frederking, R.M.W., Pilkington, G.R. (Ред.), Материалы семинара по гребнеобразованию и налаживанию морского льда., Подкомитет по снегу и льду, Ассоциированный комитет по геотехническим исследованиям, Национальный исследовательский совет Канады, Технический меморандум № 134, стр. 248–284.
- Oickle, E.J .; Blasco, S.M .; Ширер, Дж. М. (2006). «Экстремальные процессы обледенения канадского шельфа Бофорта, вызванные килями гребня давления морского льда». Атлантическая геология. 42 (1): 104.
- Палмер А.К., Конук И., Комфорт Г. и Бин К. (1990) Ледовая пропластка и безопасность морских трубопроводов, Труды 22-й конференции по морским технологиям (OTC), Хьюстон, стр. 235-244.
- Палмер, А (1997). «Геотехнические свидетельства обледенения как ориентир для определения глубины залегания трубопровода». Канадский геотехнический журнал. 34 (6): 1002–1003. Дои:10.1139 / т97-050.
- Палмер А.К., Бин К. (2011) Геологические опасности трубопроводов в арктических условиях. В: W.O. Маккаррон (редактор), Deepwater Foundations and Pipeline Geomechanics. Издательство J. Ross Publishing, Форт-Лодердейл, Флорида, стр. 171–188.
- Палмер, A.C., Тунг, C.Y. (2012) Снижение затрат на защиту арктических морских трубопроводов от ледового пропахивания, Труды 22-й Международной конференции по морской и полярной инженерии (ISOPE), Родос, Греция, стр. 1300-1303.
- Pilkington, G.R., Marcellus, R.W. (1981) Методы определения глубины траншеи трубопровода в канадском море Бофорта, Труды 6-й Международной конференции по портовой и океанической инженерии в арктических условиях (POAC), Квебек, с. 674-687.
- Сонничсен Г.В., Кинг Т., Йордан И., Ли К. (2005) Вероятностный анализ частоты размыва айсбергов на основе повторяющегося картирования морского дна в прибрежных районах Ньюфаундленда и Лабрадора, Материалы 18-й Международной конференции по портовой и океанической инженерии в арктических условиях (POAC), Потсдам, Нью-Йорк, стр. 85-94.
- Сонничсен Г., Кинг Т. (2011) Исследование айсбергов Гранд-Бэнкс, 2004 г., Материалы 21-й Международной конференции по портовой и океанической инженерии в арктических условиях (POAC), Монреаль, стр. 1473–1482.
- Тимко, Г., Дэвис, М. (1995) Лабораторные тесты нефтяной судьбы в холодном льду и волнах Технический отчет CHC-NRC. Оттава, Канада.
- Вадхамс П. (2000) Лед в океане, Издательство Gordon and Breach Science, 351 стр.
- Недели W.F. (2010) На морском льду, University of Alaska Press, 664 стр.
- Woodworth-Lynas, C.M.T .; Simms, A .; Ренделл, К. (1985). «Очистка айсбергов и посадка на мель на континентальном шельфе Лабрадора». Наука и технологии в холодных регионах. 10: 163–186. Дои:10.1016 / 0165-232x (85) 90028-х.
- Вудворт-Лайнас К., Никсон Д., Филлипс Р., Палмер А. (1996) Деформации под проколами и безопасность арктических морских трубопроводов, Материалы 28-й конференции оффшорных технологий (OTC), Хьюстон, стр. 657–664.