Распределение метана и его потоков на границе вода–атмосфера на акваториях

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6
УДК 551.465
Г.И.МИШУКОВА, О.Ф.ВЕРЕЩАГИНА1*
Распределение метана и его потоков
на границе вода–атмосфера на акваториях
шельфа, склона острова Сахалин
и впадины Дерюгина (Охотское море)
Изучено пространственное распределение содержания метана в приповерхностном слое морской воды на
акваториях шельфа, склона о-ва Сахалин и впадины Дерюгина Охотского моря. На всех профилях выявлено пересыщение метаном поверхностных вод, средний процент насыщения метаном относительно его равновесных
с атмосферой значений составил 250–300%. Проведен расчет потоков метана на границе вода–атмосфера.
Обнаружен эффект пульсационного выделения метана. При малых скоростях ветра и небольших потоках метана концентрация метана в приповерхностных водах повышается за счет его переноса из нижележащих глубинных вод. При усилении ветра и увеличении потока метана его содержание быстро падает до равновесных
значений и поток метана уменьшается до минимальных значений.
Ключевые слова: распределение метана, поток метана.
Methane distribution and its fluxes on water–atmosphere interface in areas of a shelf and a slope of the
Sakhalin and the Deryugin basin (the Sea of Okhotsk). G.I.MISHUKOVA, O.F.VERESCHAGINA (V.I.Il’ichev
Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
Spatial distribution of the methane contents in subsurface layer of sea water was investigated in areas of a shelf and
a slope of the Sakhalin and the Deryugin basin of the Sea of Okhotsk. On all structures a methane super saturation of
surface water was observed, average percent of methane saturation in regard to its equilibrium values has made 250–
300 %. Calculations of methane flux on water–atmosphere interface were carried out. The effect of pulsation of methane
fluxes was found out. At small speeds of a wind and small methane fluxes there is an increase of methane concentration
in subsurface waters due to its carry from underlying deep waters. At increase of a wind speed (and increase of methane
stream) methane concentration quickly falls up to equilibrium values with reduction of methane stream up to the minimal
values.
Key words: methane distribution, methane flux.
Ранее было установлено, что распределение метана в морской воде на акватории Охотского моря носит неоднородный характер [2–4, 6]. В основном это связано с
расположением подводных источников метана, но, видимо, можно объяснить и сложной
гидрологической структурой течений, а также сезонными изменениями гидрометеорологического режима в исследуемом районе. С неоднородным распределением метана
в морской воде коррелируют направление и интенсивность потоков метана на границе
море–атмосфера. Поскольку существует устойчивая стратификация вод, препятствующая перемешиванию водных масс, выноса значительных количеств метана в поверхностные воды не происходит (по крайней мере, для летнего сезона). Исключение составляет шельф о-ва Сахалин, где наблюдается значительная эмиссия метана в атмосферу
(до 176 моль/км2 · сут) [2].
Во всех приведенных выше работах измерения в Охотском море проводились на станциях, выполненных на значительном расстоянии друг от друга, поэтому существовала
* МИШУКОВА Галина Ивановна – кандидат географических наук, старший научный сотрудник, ВЕРЕЩАГИНА Ольга Федоровна – научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО
РАН, Владивосток). * E-mail: gmishukova@poi.dvo.ru
64
необходимость непрерывных замеров концентрации метана в морской воде на больших
акваториях за непродолжительный промежуток времени. Такая работа была осуществлена
в экспедициях НИС «Академик Лаврентьев» в июне–июле 2008 г. (рейс 44) и июле–августе 2009 г. (рейс 47) [7, 8]. Цель статьи – на основе материалов этих экспедиций детально
изучить пространственное распределение метана в поверхностном слое морской воды и
его потоков на границе вода–атмосфера.
Методы исследования
Пробы воды отобраны на акваториях, где по предварительным данным зондирования регистрировались придонные акустические аномалии, вызванные рассеянием
звука от пузырьков газа, имеющих вид струи или облака (зал. Терпения, впадина Дерюгина и склон к востоку от о-ва Сахалин) [3]. Отбор проб осуществлялся с помощью заборного устройства с глубины 4 м от поверхности моря на ходу судна. Вода из системы
поступала в термосолинограф SBE 21SEACAT (USA, Washington), где производились
непрерывные определения температуры и солености. Параллельно этим измерениям
каждые полчаса (рейс 44) или час (рейс 47) с различных горизонтов батометрами Нискина
системы «Rozett» отбирались пробы воды для газохроматографического анализа.
Концентрация газов (преимущественно метана) в воде определялась методом равновесного парафазного анализа. Проба воды отбиралась в медицинскую склянку объемом
275 мл «под горлышко с двойным переливом». Склянка закрывалась резиновой пробкой,
проколотой иглами двух шприцов для удаления воздуха и избытка воды. Одна игла подсоединялась к газовому мешку «Tedlar Bag Dual Valves» (США), наполненному гелием
при атмосферном давлении, либо ее отверстие оставалось открытым для атмосферного
воздуха. С помощью пустого шприца, подсоединяемого ко второй игле, отбирали 12 мл
морской воды. На место отобранной воды поступал газ из мешка или атмосферы. Иглы
удалялись, а склянки в течение 4 ч термостатировались при комнатной температуре
(20–23ºС) при периодическом встряхивании с помощью перемешивающего устройства
LS-110, в результате чего в ёмкости устанавливалось равновесие между жидкой и газовой
фазами. По истечении указанного времени шприцем отбиралась аликвота газовой фазы
для последующего газохроматографического анализа.
Определение газовых компонентов проводилось на хроматографе «Кристалл-Люкс4000м» (пр-во Россия, г. Йошкар-Ола). Модуль хроматографа имеет три детектора: два –
по теплопроводности и один – пламенно-ионизационный, что позволяет анализировать
все основные газы в один прием. Пламенно-ионизационный детектор служит для качественного и количественного измерения концентрации метана и других органических
компонентов с точностью 10-5 %.
Хроматографические условия анализа: газ-носитель – гелий; расход – 20 мл/мин; две металлические колонки (NaХ, внутренний диаметр 3 мм, длина 1,5 м и HayeSep D, внутренний
диаметр 3 мм, длина 2 м); программирование температуры – от 50° со скоростью 10°/мин.
Для калибровки прибора применялись сертифицированные поверочные газовые смеси
производства Германии с концентрациями метана 10, 100, 1000 ppm (part per million =
= 1 × 10-4 %) и 1%. Погрешность измерений составила 5%.
Для расчета растворенного в морской воде метана использовалось уравнение, приведенное в работе [9].
Учитывая, что на интенсивность выделения метана влияет сейсмическая обстановка [2], при анализе экспериментальных данных принимались во внимание количество и
расположение эпицентров землетрясений. Данные о положении эпицентров, времени и
магнитудах землетрясений за 2008–2009 гг. для учета влияния сейсмической ситуации в
районе в момент проведения экспериментальных исследований взяты на сайте US Geological Survey, National Earthquake Information Center (http://neic.usgs.gov/neis/bulletin/neic_
edau_l.html).
65
Результаты и обсуждение
В рейсе 44 проложено два профиля: с юга на север (профиль 1 на рис. 1а) и с
севера на юг (профиль 2 на рис. 1б). Отобрано и обработано 360 проб воды, в том числе
в зал. Анива – 17, в зал. Терпения – 33, на шельфе и склоне с глубинами 200–500 м – 84
и во впадине Дерюгина – 226. В рейсе 47 по профилю с юга на север проанализировано
62 пробы: в зал. Терпения – 11, на шельфе и склоне – 27 и во впадине Дерюгина – 24.
Осредненные значения концентрации и потока метана, показатели насыщения вод метаном, температуры воды и скорости ветра для данных районов приведены в табл. 1.
В рейсе 44 концентрации метана в поверхностных водах изменялись от 3 до 44 нмоль/л
при среднем значении 9,0 нмоль/л. При движении из порта Корсаков в юго-восточном
направлении до мыса Анива наблюдались повышенные концентрации метана – от 4 до
14 нмоль/л. На маршруте мыс Анива–мыс Терпения концентрация метана сначала постепенно снижается с 10 до 3 нмоль/л в глубоководных центральных районах зал. Терпения,
а затем около мыса Терпения интенсивно возрастает до 36 нмоль/л. Следует отметить, что
в этом районе повышенное содержание метана было зафиксировано при движении судна
как на север (профиль 1), так и на обратном маршруте (профиль 2).
Вдоль склона шельфа от мыса Терпения до впадины Дерюгина первоначальное снижение концентрации метана в приповерхностных водах сменяется ростом его содержания. Такая динамика обусловлена наличием в этом районе донных источников метана – одиночного
Таблица 1
Концентрация метана, процент насыщения поверхностных вод метаном, коэффициент газообмена на
границе вода–воздух, температура воды (T) и скорость ветра (U) в районах исследования
Район работ
Зал. Анива
среднее
мин
макс
Зал. Терпения среднее
мин
макс
Склон, шельф среднее
мин
макс
Впадина
среднее
Дерюгина
мин
макс
В целом по
среднее
районам исмин
следования
макс
Концентрация
метана, нмоль/л
Насыщение
метаном, %
2008
2009
2008
7
4
14
12
3
36
15
4
44
6
4
12
9
3
44
–
–
–
5
4
8
9
3
35
4
3
8
7
3
35
236
147
424
394
136
1108
472
151
1468
205
138
422
300
136
1468
T, °С
U, м/с
2009
Коэффициент
газообмена,
моль/км2 · сут
2008
2009
2008
2009
2008
2009
–
–
–
154
133
201
312
103
1323
142
95
264
250
95
1324
7,2
1,6
17,5
27,2
2,8
101,0
22,4
2,1
126,2
8,6
0,8
34,1
14,2
0,8
126,2
11,69
6,54
17,52
10,28
6,56
14,46
9,02
5,60
13,76
11,56
9,92
13,12
10,87
5,60
17,52
–
–
–
11,91
11,50
12,50
11,83
11,10
12,40
12,58
10,00
13,70
12,06
10,00
13,70
5
4
7
8
7
8
5
2
8
7
2
12
7
2
12
–
–
–
10
7
10
6
5
8
5
2
8
4
2
8
–
–
–
3,6
2,1
5,7
6,4
0,6
24,6
1,6
-0,2
6,3
4,3
-0,2
24,6
Примечание. Прочерк – отсутствие данных.
Рис. 1. Распределение концентраций метана в поверхностных водах (горизонтальные столбики) и потока метана на границе вода–атмосфера (вертикальные столбики) в Охотском море. а, б – профили 1 и 2, выполненные
в рейсе 44, в – профиль, выполненный в рейсе 47 НИС «Академик Лаврентьев». На врезках – распределение
концентраций и потоков метана в акватории впадины Дерюгина (полигоны 1 и 2). Условные обозначения: звездочки – эпицентры землетрясений; точки – «газовые факелы» (выбросы газовых пузырьков со дна)
66
67
на широте около 50º с.ш. и в виде разведанных газонефтяных месторождений Лунское,
Пильтун-Астохское и Аркутун-Даги на широте 51–53º с.ш.
Наложение схемы распределения метана в поверхностных водах на карту землетрясений свидетельствует о том, что под влиянием землетрясений происходит активизация
выноса метана из литосферы в морские воды. Максимальные концентрации наблюдались
вблизи мыса Терпения и на восточном шельфе между 51 и 53° с.ш., где недалеко от станций отбора проб были зарегистрированы эпицентры землетрясений. Для данного района
в работе [5] приводятся свидетельства возникновения так называемых вынужденных землетрясений, вызванных многолетней интенсивной добычей нефти и газа на Пильтун-Астохском месторождении.
В рейсе 47 на маршруте мыс Анива–мыс Терпения концентрация метана изменялась от
4 до 8 нмоль/л. При дальнейшем движении на север происходило увеличение содержания
метана до максимального значения 35 нмоль/л на широте около 50º с.ш. при последующем
снижении до 3–4 нмоль/л.
Почти для всей изучаемой акватории поверхностный слой воды пересыщен метаном
относительно его содержания в атмосфере, и только на одной станции в рейсе 47 наблюдалось недосыщение. Средней процент насыщения в рейсе 44 составил 300%, в рейсе 47 –
250%. Следует отметить, что маршрут судна в 2009 г. в зал. Терпения и вдоль склона к востоку от о-ва Сахалин пролегал по более глубоководной акватории и для данных районов
сейсмическая обстановка была более спокойная, чем в 2008 г.
Интенсивное выделение метана из донных источников в виде многочисленных облаков газовых пузырьков во впадине Дерюгина [3] потребовало более детального изучения
распределения метана на этой акватории. Кроме того, геохимическими исследованиями
здесь выявлены признаки активных гидротермальных процессов (вдоль зон разломов в
придонной воде отмечается высокое содержание метана), а в западной части впадины на
глубине около 800 м в керне глинистых осадков обнаружены метансодержащие газогидраты [6]. Действительно, сильное выделение метана из подводных источников в этом районе
обусловливает формирование поверхностного слоя морских вод с повышенной концентрацией метана (от 4 до 12, среднее значение 6 нмоль/л).
Расчет потока метана на границе вода–атмосфера определялся по формуле [1]:
F = Kобщ ΔC,
(1)
где Кобщ. – коэффициент газообмена на границе вода–воздух (см/с); Δ С – разность между
измеренной концентрацией метана в морской воде и равновесной концентрацией, которую имел бы атмосферный метан в морской воде при данных температуре, солености и
атмосферном давлении. Равновесная концентрация рассчитывается по формуле [9]:
lnCeg = lnƒG A1 + A2 + ﴾100 ⁄T﴿ + A3ln ﴾T ⁄100﴿ + ﴾T ⁄100﴿ + S[B1 + B2﴾T ⁄100﴿ + B3﴾T ⁄100﴿2], (2)
где Ceq – равновесная концентрация; fG– мольная доля метана в атмосфере; T – температура воды (K); S – соленость (‰); коэффициент A1 = -415,2807, A2= 596,8104, A3 = 379,2599,
A4 = -62,0757, B1= -0,05916, B2 = 0,032174, B3 = -0,0048198.
Суммарный коэффициент газообмена Кобщ. при коэффициенте молекулярной диффузии
метана в морской воде (Dw , см2/с), температуре воды, солености и скорости ветра (U, м/с)
в момент измерения равен:
Кобщ. = KТ+ Ko + Kn,
(3)
1/2
где KT = 2{Dw/π t*} – термический коэффициент газообмена; π = 3,14; t* – время (с)
существования поверхностного микрослоя от момента подвода новой порции подповерхностной жидкости на границу раздела вода–воздух до погружения охлажденной поверхностной жидкости вглубь водной массы [1]; Ko = {DwS}1/2 – коэффициент газообмена для
обрушений волн; S = 4,5 · 10-6 U3,31 (с-1); Kп = 2{DwM}1/2 – коэффициент газообмена для
схлопывания пузырьков; M = 2,76 · 10-5 U3,74 (с-1).
68
Термическая неустойчивость поверхностного микрослоя воды объясняется отводом
тепла за счет испарения и эффективного инфракрасного излучения, которые вызывают
погружение охлажденной поверхностной жидкости и последующее поступление новой
порции подповерхностной воды на границу раздела вода–воздух.
Интенсивность обрушений гребней волн, при которой происходит образование барашков, определяется притоком энергии от ветра к волнам, приводящим к росту гребней и
потере их устойчивости. В результате обрушения энергия волн передается дрейфовым
течениям и турбулентным процессам в поверхностном слое океана.
При обрушении волны в подповерхностных водах образуется облако диспергированных пузырьков газа, которые затем всплывают к поверхности, выходят на границу раздела
вода–атмосфера и схлопываются. Чем выше скорость ветра, тем больше длина волн и
площадь барашков и тем интенсивнее образование пузырьков, которые проникают на все
большую глубину. При усилении ветра число обрушений волн увеличивается, отдельные
пузырьковые облака сливаются и формируется насыщенный пузырьками приповерхностный слой воды.
За счет энергии волн и последующего всплывания пузырьков происходит интенсивное
перемешивание морской воды, которое обеспечивает относительно однородное распределение гидрохимических характеристик в приповерхностном слое воды.
На рис. 2 показана динамика коэффициента газообмена в зависимости от скорости
ветра. Обнаружено, что в океанических условиях при скоростях ветра до 3 м/с общий коэффициент газообмена в основном обусловлен термической
конвекцией. Начиная с 4 м/с
определяющую роль в газообмене на границе вода–воздух
играет механизм схлопывания
пузырьков, а рост коэффициента газообмена пропорционален
скорости ветра в степени 1,87.
Образование максимума потока
метана прослеживается при скоростях ветра 6–8 м/с и разности
концентраций около 40 нмоль/л
(табл. 2). При уменьшении разности концентраций положение
максимума скорости выделения
метана смещается в сторону
больших скоростей ветра.
Таким образом, при малых
Рис. 2. Зависимость коэффициента газообмена на границе вода–
скоростях ветра и небольших
атмосфера от скорости ветра
Таблица 2
Изменение максимальных потоков метана на границе вода–атмосфера в зависимости от скорости ветра
и разности концентрации метана в морской воде и его равновесного с атмосферой значения
Скорость ветра, м/с Разность
концентрации, нмоль/л
6–7
40
7–8
30
89
20
9 10
10
10–11
0–5
69
Максимальные потоки
метана, моль/км2 · сут
100–126
90–100
50–60
30–40
0–20
потоках метана происходит повышение концентрации метана в приповерхностных водах
за счет его переноса из глубинных источников. При повышении скорости ветра и увеличении потока метана концентрация газа быстро падает до равновесных значений, соответственно поток метана уменьшается до минимальных значений. Данный эффект можно
назвать «метановым дыханием» моря, когда выделение метана в атмосферу происходит
пульсациями, что сопровождается изменением концентрации метана в морской воде как
в пространстве, так и во времени в зависимости от гидрометеорологического режима акватории.
Результаты расчета потоков метана на границе вода–атмосфера по экспериментальным
данным показаны на рис. 1 в виде вертикальных столбиков.
Во время 44-го рейса 144 пробы из 360 были отобраны при скорости ветра 7–8 м/с,
которая считается средней для Мирового океана. Из рис. 1а, б видно, что поток метана на
профиле 1 меньше, чем на профиле 2, так как на участке 51–53º с.ш. при движении судна
на север скорость ветра была 2 м/с, а при движении в обратном направлении ветер усилился до 5 м/с. В целом для обоих профилей значения потоков метана меняются от 2 до 126
при среднем значении 14 моль/км2 · сут.
Изменение направления и интенсивности потоков метана на акватории Охотского
моря связано также с неоднородным пространственным распределением метана в поверхностном слое воды. В зал. Анива поток метана изменялся в диапазоне от 2 до 18, среднее
значение 7 моль/км2 · сут. В зал. Терпения максимальный поток (101 моль/км2 · сут) зафиксирован возле одноименного мыса, где выявлена область с наибольшими концентрациями
метана в приповерхностном слое. Вдоль склона о-ва Сахалин поток метана увеличился до
126 моль/км2 · сут. Во впадине Дерюгина (полигоны 1 и 2 на врезках рис. 1а, б) его среднее
значение составило 8,6, максимальное 34 моль/км2 · сут.
Максимальный поток метана 126 моль/км2 · сут наблюдался при скорости ветра 8 м/с в
области с наиболее холодным поверхностным слоем морской воды (6–8°С) и максимальным значением концентрации метана (44 нмоль/л).
Потоки метана на границе вода–атмосфера в рейсе 47 были заметно слабее: максимальный 25, среднее значение 4 моль/км2 · сут. При этом на одной станции во впадине
Дерюгина наблюдалось поглощение метана из атмосферы.
Заключение
Для всех станций поверхностный слой воды был пересыщен метаном, кроме
одной, выполненной во впадине Дерюгина в 47-м рейсе. Среднее насыщение метаном
поверхностных вод относительно равновесного с атмосферой в рейсе 44 составило 300%,
в рейсе 47 – 250%.
Характер распределения метана в морской воде коррелирует с пространственным распределением его подводных источников, причем на всей изученной акватории восточнее
о-ва Сахалин метан активно выделяется в атмосферу.
В океанических условиях при скоростях ветра до 3 м/с основное влияние на интенсивность газообмена оказывает термическая неустойчивость поверхностного микрослоя,
а при более сильных ветрах вследствие снижения сопротивления газообмену в поверхностном микрослое морской воды и активизации транспорта газов внутри водной массы
главным механизмом переноса газов на границе вода–воздух является обрушение волн и
схлопывание газовых пузырьков.
Обнаружен эффект пульсационного выделения метана. При малых скоростях ветра и
небольших потоках метана концентрация метана в приповерхностных водах повышается
за счет его переноса из нижележащих глубинных вод. При повышении скорости ветра и
увеличении потока метана его содержание быстро падает до равновесных значений, соответственно и потоки метана стремятся к минимальным значениям.
70
ЛИТЕРАТУРА
1. Мишукова Г.И., Обжиров А.И., Мишуков В.Ф. Метан в пресных и морских водах и его потоки на границе
вода–атмосфера в Дальневосточном регионе. Владивосток: Дальнаука, 2007. 159 с.
2. Мишукова Г.И., Мишуков В.Ф., Обжиров А.И. Распределение метана и его потоки на границе вода–
атмосфера в некоторых районах Охотского моря // Вестн. ДВО РАН. 2010. № 6. С. 36–43.
3. Мониторинг метана в Охотском море / ред. А.И.Обжиров, В.А.Соснин, А.Н.Салюк и др. Владивосток:
Дальнаука, 2002. 250 с.
4. Обжиров А.И., Астахова Н.В., Липкина М.И., Верещагина О.Ф., Мишукова Г.И., Сорочинская А.В.,
Югай И.Г. Газо-геохимическое районирование и минеральные ассоциации дна Охотского моря. Владивосток:
Дальнаука, 1999. 184 с.
5. Тихонов И.Н. О наведенной сейсмичности на шельфе острова Сахалин вблизи Пильтун-Астохского
нефтегазоконденсатного месторождения // Вестн. ДВО РАН. 2010. № 3. С. 59–63.
6. Шакиров Р.Б., Обжиров А.И. Морфотектонический контроль потоков метана в Охотском море // Подводные
исследования и робототехника. 2009. № 1. С. 31–39.
7. Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project 2008, R/V Akademik M.A.Lavrentyev Cruise 44
/ eds Y.K.Jin, H.Shoji, B.Baranov, A.Obzhirov. Seoul: Korea Polar Research Institute, KORDI, 2008. 64 p.
8. Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project 2009, R/V Akademik M.A.Lavrentyev Cruise 47
/ еds H.Shoji, Y.K.Jin, A.Obzhirov, B.Baranov. Kitami: New Energy Resources Research Center, Kitami Institute of
Technology, 2009. 136 p.
9. Wiessenburg D.A., Guinasso N.L. Equilibrium Solubility of Methane, Carbon Dioxide, and Hydrogen in Water
and Sea Water // J. Chem. Eng. Data. 1979. Vol. 24, N 4. P. 356–360.
Новые книги
Пахомова В.А. Флюидные включения как источник генетической информации о
процессах минерало- и рудообразования (на примере месторождений Дальнего Востока).
Владивосток: Дальнаука, 2011. – 134 с. – ISBN 978-5-8044-12006.
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН
690022, Владивосток, просп. 100-летия Владивостока, 159
Fax: (4232)31-78-47. E-mail: office@fegi.ru
В монографии представлены элементы методологии исследования микровключений в
минералах для решения геологических задач, направленных на выявление физико-химических параметров процессов формирования различных месторождений и совершенствование
теоретических основ прогнозирования и поисков месторождений полезных ископаемых.
Приводится краткий обзор возникновения, развития и современного состояния термобарогеохимии в мире и России. Обсуждаются конкретные данные, полученные при изучении
рудных и минеральных объектов Дальнего Востока. Представлены разнообразные подходы
и особенности изучения микровключений в комплексе с современными методами локального анализа микрообъектов, которые дополняют традиционные геолого-петрологические
и геохимические исследования, значительно расширяя их возможности.
Книга предназначена для широкого круга исследователей естественно-научного профиля, специалистов в области наук о Земле: геологов, минералогов, геохимиков, аспирантов и
студентов старших курсов геолого-минералогических специальностей.
71