Разработка системы моделирования для анализа современного состояния и оценки тенденций будущих изменений природной среды Сибирских шельфовых морей

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-11-20112

НазваниеРазработка системы моделирования для анализа современного состояния и оценки тенденций будущих изменений природной среды Сибирских шельфовых морей

Руководитель Голубева Елена Николаевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-219 - Математическое моделирование в науках о Земле и проблемах окружающей среды

Ключевые слова Сибирский шельф, изменения климата,морской лед,циркуляция вод,численные модели океана и морского льда, подводная мерзлота, газовые гидраты, потоки метана, сейсмические волны, петрофизическая модель, волновое изображение, глубокое машинное обучение, свёрточные нейронные сети

Код ГРНТИ37.21.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Шельф Сибири, включающий моря Карское, Лаптевых и Восточно-Сибирское – крупнейший континентальный шельф на Земле, имеющий стратегическое значение из-за запасов нефти и природного газа, является малоизученным из-за суровых климатических условий. Состояние вод и морского льда шельфа контролируется множеством климатических процессов, среди которых: изменчивость атмосферной динамики, определяющей процессы образования и таяния морского льда, его дрейф и циркуляцию вод в поверхностном слое, взаимодействие с соседними регионами, а также сток сибирских рек. Шельф арктических морей рассматривается как область, в пределах которой возможно существование многолетнемерзлых субаквальных пород, достоверные сведения о которых получены на основании буровых профилей. Существование мерзлоты обеспечивает условия для формирования в донных отложениях зоны стабильности газогидратов на небольших водных глубинах. Для научно-практического обеспечения хозяйственного освоения побережья и шельфовой зоны Арктики необходима разработка критериев уязвимости рассматриваемого региона. Эти критерии могут быть разработаны только на основе оценки знаний о физических механизмах, формирующих современное состояние природной среды региона. В настоящее время анализ данных наблюдений не может обеспечить полноценную картину изменчивости региона в виду недостаточности их пространственно-временного представления. В настоящем проекте предлагается разработка системы комплексной оценки сибирских шельфовых морей для исследования состояния вод, морского льда, криолитозоны и прогноза их изменчивости под воздействием глобальных климатических изменений. Исследование гидрологии шельфовых морей будет основано на анализе данных наблюдений и использовании моделей компонентов климатической системы, разрабатываемой в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН при усовершенствовании физико-математических численных моделей океана, морского льда и осадочного слоя с привлечением современных параметризаций физических процессов, численных методов и технологии параллельных вычислений. Планируется проведение численных расчетов на основе трехмерной модели океана с повышенным разрешением в шельфовой зоне от 2 до 5 км. Это обеспечит детальное представление о пространственно-временной изменчивости процессов, происходящих в водах шельфовых морей и ледовом покрытии, обусловленной изменчивостью современного состояния атмосферы полярных широт и позволит выявить тенденции возможных изменений в будущем. Исследование чувствительности моделируемых переменных к вариациям внешнего воздействия позволит определить наиболее значимые глобальные и локальные климатические связи, определяющие изменчивость гидрологии региона. Особое внимание будет уделяться изучению гидрологических характеристик в придонном слое морей, поскольку повышение температуры придонного слоя усиливает процесс деградации многолетнемерзлых пород и может приводить к дестабилизации газовых гидратов. Одной из задач настоящего проекта является выявление мощности и масштабов деградации субаквальной мерзлоты шельфов морей Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского и связанных с ней газогидратов метана, а также количественная оценка потоков метана в атмосферу. Для моделирования реакции субаквальных многолетнемерзлых грунтов на климатические изменения будет использована разработанная в ИВМиМГ СО РАН версия модели теплопереноса в донных отложениях в условиях субаквальной мерзлоты, на основе динамической модели ИФА РАН, описывающей процессы тепловлагопереноса в грунте. Данная работа является одной из первых попыток совместного моделирования термохалинного состояния вод и эволюции субаквальной криолитозоны и зоны стабильности газовых гидратов для шельфов морей Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского в прошлом, настоящем и будущем. В результате проведенного исследования будут получены представления о возможной динамике толщ многолетнемерзлых пород и зоны стабильности газовых гидратов в донных отложениях арктического шельфа с учетом процессов засоления донных осадков и данных по геотермическим потокам для региона. Предлагается разработка сценариев развития природной среды шельфа Карского моря, Лаптевых и Восточно-Сибирского с учетом циклов трансгрессий-регрессий, периодов существования покровного оледенения, палеотемпературных данных за последние 400 тысяч лет. По результатам исследования будут выявлены необходимые условия образования сквозных таликов в реликтовых мерзлых толщах донных отложений, через которые может происходить эмиссия газов на этапах трансгрессий и в современный период как следствие потепления в северных широтах. Обнаружение и мониторинг состояния залежей газогидратов приобретает всё большее значение как в связи с глобальным потеплением, так и в связи с усилением антропогенного присутствия в связи с активизацией геологоразведочных работ и возрастающими объёмами добычи углеводородов. Наиболее подходящим на наш взгляд методом дистанционного обнаружения и мониторинга залежей газогидратов является проведение сейсмических исследований. При этом открывается возможность высокоточной локализации таких формаций, однако вплоть да настоящего времени не разработана теория, связывающая состояние газогидратов с отражёнными/рассеянными сейсмическими волнами. В предлагаемом к рассмотрению проекте будут разработаны и апробированы как стандартные подходы, разрабатываемые в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, для локализации неоднородностей путём проведения сейсмических исследований (реконструкция глубинной скоростной модели и построение волнового сейсмического изображения), так и качественно новые подходы определения физического состояния (PVT) на основе глубокого машинного обучения. Для реализации машинного обучения нами будет выполнен на представительном наборе петрофизических моделей типичных залежей газогидратов переход к сейсмической модели (в зарубежной литературе этот шаг известен как upscaling). Построенная таким образом модель будет использована для полномасштабного сейсмического моделирования и формирования синтетической базы данных. По полученным волновым полям затем строятся сейсмические изображения скоплений газогидратов, которые и будут использованы в качестве обучающего материала при разработке методов реконструкции петрофизической модели. Принципиально новой является задача проекта - выявление наиболее уязвимых районов Сибирского шельфа на основе анализа областей устойчивого повышения придонной температуры и построенных карт возможных скоплений газогидратов, полученных на основе решения обратной динамической задачи сейсмики и модели подводной мерзлоты.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Голубева Е.Н., Крайнева М.В., Платов Г.А. О формировании аномалий тепла в придонном слое моря Лаптевых Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2020, избранные труды, Однотомное издание (год публикации - 2020)

2. Чеверда В.А., Гадыльшин К.Г. Elastic Full-Waveform Inversion Using Migration‑Based Depth Reflector Representation in the Data Domain Preprints, 2020110663 (год публикации - 2020)
10.20944/preprints202011.0663.v1

3. Малахова В.В., Елисеев А.В. Analysis of the subsea permafrost dynamics at the Arctic shelf accounting for climate change uncertainty during glacial cycles 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, Proc. of SPIE Vol. 11560 115606D (год публикации - 2020)
10.1117/12.2575081

4. Гаврилов А.В., Малахова В.В., Пижанкова Е.И., Попова А.А. Permafrost and Gas Hydrate Stability Zone of the Glacial Part of the East-Siberian Shelf Geosciences, 10, 484 (год публикации - 2020)
10.3390/geosciences10120484

5. Малахова В.В., Гаврилов А.В., Пижанкова Е.И., Попова А.А. Математическое моделирование эволюции и современного состояния криолитозоны севера Восточно-Сибирского шельфа Тезисы Междунар. конф., посв. 95-летию со дня рождения акад. Г. И. Марчука Новосибирск, 19‒23 октября 2020 г., С.89-90 (год публикации - 2020)
10.24411/9999-017A-2020-10340

6. Малахова В.В. Численное моделирование разложения метангидратов, сформировавшихся в многолетнемерзлых породах ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА. Всероссийская конференция, посвященная памяти академика Александра Михайловича Обухова. 10–12 ноября 2020 года. Сборник тезисов докладов., С.79 (год публикации - 2020)

7. Голубева Е.Н., Крайнева М.В., Платов Г.А. Simulation of near-bottom water warming in the Laptev Sea IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciences (год публикации - 2020)

8. В.Чеверда, Е.Ефимова, Г.Решетова Full Waveform Inversion in Viscoelastic Media In: Gervasi O. et al. (eds) Computational Science and Its Applications – ICCSA 2021. ICCSA 2021. Lecture Notes in Computer Science, vol 12950., v.12950, pp. 322-334 (год публикации - 2021)
10.1007/978-3-030-86960-1_23

9. В.Чеверда, В.Лисица, М.Протасов, Г.Решетова, А.Ледяев, Д.Петров, В.Шиликов Reconstruction of the Reservoir Fine Structure by Using Scattering Attributes SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dubai, UAE, September 2021., SPE-206083-MS, SPE Annual Technical Conference and Exhibition September 21–23, 2021 Dubai, UAE (год публикации - 2021)
10.2118/206083-MS

10. К.Г.Гадыльшин, В.А.Чеверда, Д.Н.Твердохлебов Reconstruction of the Near-Surface Velocities with Trap Bodies by the Full Waveform Inversion SPE Russian Petroleum Technology Conference, SPE-206594-MS, SPE Russian Petroleum Technology Conference, Virtual, October 2021. (год публикации - 2021)
10.2118/206594-MS

11. Чеверда В., Гадыльшин К. Elastic Full-Waveform Inversion Using Migration-Based Depth Reflector Representa-tion in the Data Domain Geosciences, 11(2):76 (год публикации - 2021)
10.3390/geosciences11020076

12. Крайнева М.В., Голубева Е.Н. Морские волны тепла в море Лаптевых в 2019-2020 годах. ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ, Т. 4. № 1. С. 145-151. (год публикации - 2021)
10.33764/2618-981X-2021-4-1-145-151

13. Крайнева М.В. Изучение особенностей термического режима моря Лаптевых в последнее десятилетие на основе численного моделирования. Комплексные исследования Мирового океана. Материалы VI Всероссийской научной конференции молодых ученых., Москва, 2021. С. 97-98. (год публикации - 2021)

14. Крайнева М.В., Голубева Е.Н. Formation of Temperature Anomalies in the Laptev Sea (2000–2020 Years). Processes in GeoMedia—Volume V (год публикации - 2021)

15. Гаврилов А.В., Малахова В.В., Пижанкова Е.И. Роль палеогеографических событий в эволюции и современном состоянии криолитозоны восточно-сибирского шельфа Труды Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXVII Международного симпозиума. Электронный ресурс., Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2021. С. D113-D116 (год публикации - 2021)

16. Гаврилов А.В., Малахова В.В., Пижанкова Е.И. Математическое моделирование эволюции субмаринных мерзлых толщ и зоны стабильности газогидратов (на примере Восточно-Сибирского шельфа) Материалы XVII международной научно-технической конференции Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН., Том I. – М.: Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН, 2021. С. 255-259. (год публикации - 2021)

17. Гаврилов А.В., Малахова В.В., Пижанкова Е.И. The role of paleogeographic events in the evolution and current state of the East Siberian Shelf permafrost Proc. SPIE, 27th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. (год публикации - 2021)

18. Решетова Г.В., Чеверда В.А., Лисица В.В. Digital Twins of Geological Objects: Development and Use Parallel Computational Technologies. PCT 2021. Communications in Computer and Information Science, vol 1437, vol. 1437,300-311 (год публикации - 2021)
10.1007/978-3-030-81691-9_21

19. Малахова В.В., Голубева Е.Н. Model Study of the Effects of Climate Change on the Methane Emissions on the Arctic Shelves Atmosphere, 13(2), 274 (год публикации - 2022)
10.3390/atmos13020274

20. Мохов И.И., Малахова В.В., Аржанов М.М Model Estimates of Intra- and Intersentennial Degradation of Permafrost on the Yamal Peninsula under Warming Doklady Earth Sciences, Vol. 506, Part 2, pp. 782–789 (год публикации - 2022)
10.1134/S1028334X22600426

21. Решетова Г.В., Чеверда В.А., Койнов В.В. Comparative Efficiency Analysis of MPI Blocking and Non-blocking Communications with Coarray Fortran COMMUNICATIONS IN COMPUTER AND INFORMATION SCIENCE, Vol. 1510, pp. 322–336 (год публикации - 2021)
10.1007/978-3-030-92864-3_25

22. Решетова Г.В., Чеверда В.А. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЗОН СТАБИЛЬНОСТИ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ И ГАЗОГИДРАТОВ ЛЕДНИКОВОЙ ЧАСТИ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО ШЕЛЬФА Суперкомпьютерные технологии математического моделирования: тезисы докладов V международной конференции, Под редакцией В.И. Васильева. – Якутск : Издательский дом СВФУ, 2022. – 50 с. (год публикации - 2022)

23. Чеверда В.А., Братчиков Д.С., Гадыльшин К.Г., Голубева Е.Н., Малахова В.В., Решетова Г.В. Subsea Methane Hydrates: Origin and Monitoring the Impacts of Global Warming Applied Sciences, Vol. 12, no. 23: 11929 (год публикации - 2022)
10.3390/app122311929

24. Чеверда В.А., Братчиков Д.С., Гадыльшин К.Г., Голубева Е.Н., Малахова В.В., Решетова Г.В. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ГАЗОГИДРАТНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО ШЕЛЬФА ДАН. Науки о Земле (год публикации - 2023)

25. Голубева Е.Н., Крайнева М.В. Численное моделирование состояния вод и морского льда сибирских арктических морей в 21 столетии Марчуковские научные чтения-2022 : Тезисы Междунар. конф., 3–7 октября 2022 г., С. 12 (год публикации - 2022)
10.24412/cl-35065-2022-1-02-44

26. Малахова В.В. Оценка площади распространения подводной мерзлоты и зоны стабильности гидратов метана на Арктическом шельфе Марчуковские научные чтения-2022 : Тезисы Междунар. конф., 3–7 октября 2022 г., С.82 (год публикации - 2022)
10.24412/cl-35065-2022-1-01-11

27. Гаврилов А.В., Малахова В.В., Деревягин А.Ю., Пижанкова Е.И., Попова А.А. ВКЛАД ОЛЕДЕНЕНИЯ СРЕДНЕГО НЕОПЛЕЙСТОЦЕНА В ФОРМИРОВАНИЕ МЕРЗЛЫХ ТОЛЩ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО ШЕЛЬФА Мониторинг в криолитозоне. Сборник докладов Шестой конференции геокриологов России с участием российских и зарубежных ученых, инженеров и специалистов. Под редакцией Р.Г. Мотенко, C.864-869 (год публикации - 2022)
10.31453/kdu.ru.978-5-7913-1231-0-2022-1130

28. Голубева Е.Н., Крайнева М.В. Исследование изменчивости состояния морей сибирского сектора Арктики в 21 столетии на основе численного моделирования ENVIROMIS 2022. Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды. Изд.: Томский центр научно-технической информации, Томск, С. 78-81 (год публикации - 2022)

Публикации