Метан в подземных льдах Западного Ямала

Метан в подземных льдах Западного Ямала
Стрелецкая И.Д.
Московский государственный университет, географический ф-т, 119991, Москва, Ленинские Горы, Россия
Васильев А.А., Облогов Г.Е.
Институт криосферы Земли СО РАН, 625000, Тюмень, а/я 1230, Россия
Реферат
Метан является парниковым газом и играет важную роль в динамике климатической системы. Наше
исследование сфокусировано на определении количества и происхождении метана, законсервированного в
воздушных пузырьках в подземных льдах. Количество метана определялось в ледяных монолитах из
полигонально-жильных и пластовых льдов. Газовые включения в голоценовых полигонально-жильных льдах
имеют концентрацию метана менее 1,6 pm, а в плейстоценовых - 4,5 pm. В пластовых льдах газовые пузырьки
содержат метана значительно больше - до 23 pm. Высокое содержание растворенной органики, анаэробные
условия при промерзании водонасыщенных отложений благоприятны для жизнедеятельности
метанообразующих бактерий, что подтверждается значениями изотопного состава метана в пластовых льдах δ13С
(СН4) -71 ‰ -58 ‰.
Ключевые слова: метан, пластовые льды, полигонально-жильные льды
Methane in underground ice Western Yamal
Streletskaya I.D.
Moscow State University, Geography Department, Moscow, Russia
Oblogov G.E., Vasiliev A.A.
Earth Cryosphere Institute, Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Tyumen, Russia
Abstract
Methane is an important greenhouse gas playing a major role in dynamics of climate system. This study focused on methane concentration and genesis
in various types of ground ice. The data on quantity and genesis of methane was collected from Holocene and Pleistocene ice wedges, and from the
large massive tabular ice bodies. The Holocene syngenetic and epigenetic ice wedges have methane concentration below 1,6pm and the Pleistocene
syngenetic ice wedges have methane concentration below 4,5pm. Isotopic composition of methane in gas bubbles Methane entrapped in tabular ice
bodies has bacterial genesis δ13С (СН4) -71‰-58‰ and show considerably higher concentration up to 23pm. Anaerobic environment characteristic of
tabular ground ice formation and high organic content of solution provided favorable conditions for methane producing bacteria.
Key Words: methane, tabular ice bodies, ice wedges
_____________________
Введение
Подземные льды отражают природно-климатическую
обстановку времени своего образования, условия
накопления отложений и их промерзание [Стрелецкая и
др., 2012; Leibman et al. 2003]. Объектами настоящего
исследования являлись подземные льды и метан,
заключенный в нем в воздушных пузырьках. Внимание к
составу и количеству газа в криогенной толще связано с
проблемой увеличения концентрации парниковых газов в
атмосфере, в первую очередь метана, при деградации
мерзлоты. Значительное количество метана выведено из
современного
биогеохимического
круговорота
и
законсервировано в вечной мерзлоте [Ривкина и др.,
1992; Gilichinsky et al. 1997; Wright et al. 1998]. Крупные
залежеобразующие подземные льды - пластовые (ПЛ)
мощностью до 50 м и полигонально-жильные (ПЖЛ)
мощностью до 15 м широко распространены на Западном
Ямале. Основная цель исследований – установить
количество и источник метана в воздушных включениях
подземных льдов.
Район исследований
Полярная станция Марре-Сале находится в районе
сплошного
распространения
низкотемпературных
мерзлых пород.
Рис. 1. Район исследований. Полярная станция Марре-Сале.
Подземные льды исследованы в береговых обрывах.
Рис.2. а) Схематический разрез берегового обрыва района Марре-Сале с обозначением основных залежеобразующих льдов ПЖЛ (А1 и
А2) и ПЛ (B и C); б) вид и схема опробования верхнеплейстоценового ПЖЛ (А2) и ПЛ (В); в) вид и схема опробования ПЛ (С). 1. ПЖЛ
голоценового возраста (A1); 2. ПЖЛ верхнеплейстоценового возраста (A2); 3. ПЛ массивный (С); 4. ПЛ ледогрунтовая толща (B); 5.
геологические границы; 6. условный индекс выделяемых типов подземных льдов; 7. геолого-генетический индекс отложений. Места, в
которых взяты образцы льда (8-10) и породы (11-14). 8. определение газового состава льда; 9. определение изотопного состава льда; 10
определение химического состава льда; 11. определение влажности пород; 12. определение степени засоления (Dsal) пород; 13.
определение содержания органического углерода (Cорг) в породе; 14. определение содержания форм железа в породе.
Обрывистые морские берега высотой 15-30 м сложены
неоплейстоценовыми и голоценовыми отложениями
морского и континентального генезиса [Forman et al.
2002; Каневский и др., 2005; Стрелецкая и др., 2006;
2009; 2013 и др.] рис.2.
Континентальная пачка отложений аллювиального
аллювиально-озерного
генезиса
вмещает
эпигенетические и сингенетические ПЖЛ голоценового
возраста рис. 2, А1 и мощные сингенетические ПЖЛ рис.
2 а, А2 плейстоценового возраста [Forman et al. 2002].
Следов современного роста ПЖЛ не обнаружено.
Вытянутые удлиненные цепочки пузырьков воздуха
диаметром не превышающие 1 мм через 1-2 мм
равномерно распределены в ПЖЛ. Пузырьки образуются
при формировании ПЖЛ при попадании снега и талой
воды в трещины. Метан, заключенный в пузырьках,
находился в воздухе или был растворен в талой воде до
попадания в трещину.
Первый тип ПЛ (B) залегает на глубинах 5-8 м на
контакте между морскими и континентальными пачками
отложений рис. 2а (B) и подстилается глинами. Льды
второго типа рис. 2а (C) залегают на глубинах 4-10 м от
поверхности и перекрыты морскими глинами. ПЛ (B и C)
содержат сферические пузырьки воздуха диаметром до 5
мм, которые неравномерно распределены во льду, в виде
скоплений и находятся под давлением. Газы были
растворены в воде до начала промерзания. Растворимость
метана в воде в сотни раз меньше растворимости
углекислого газа и при промерзании метан захватывался
льдом.
Отбор образцов и методы исследований
Из крупных залежей ПЖЛ и ПЛ вырублены 42
монолита льда и мерзлых пород весом 1000-1500 г и в
мобильных холодильниках переправлены в лабораторию
литологии и геохимии ВНИИОкеангеология (г. СанктПетербург, Россия). Определение концентрации метана
из продегазированных проб льда проводилось методом
газовой хроматографии на установке с пламенноионизационным детектором SHIMADZU 2014. В
Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.
Вернадского в лаборатории геохимии углерода на
изотопном масс-спектрометре (в конфигурации GC-CIRMS) определены значения изотопов δ13С(CH4). В
отложениях континентального и морского генезиса
определялось содержание железа по методике К.В.
Веригиной [1965]. Проведен комплекс аналитических
исследований льда и пород, который включал
гранулометрический анализ, определение общего
количества органического углерода, степени засоления
отложений, состава водно-растворимых солей методом
водной вытяжки, химического состава льдов и значений
стабильных изотопов кислорода и водорода. Места
отбора образцов указаны на рис. 2 (б и в).
Результаты
Из углеводородных компонентов газа в воздушных
пузырьках ПЖЛ и ПЛ преобладает метан, его на порядок
больше всех остальных. Больше всего метана в черном
монолитном льде (С), где его количество достигало 2%
или 23352ppm. Метан во льду распределен неравномерно,
разница в содержании газа в двух образцах отобранных
на расстоянии 1,5 м друг от друга отличалась в 140 раз. В
ледогрунтовой толще (В) содержание метана во льду
изменялось в довольно узком диапазоне, в среднем
составляя 11178 ppm. Меньше всего метана содержится в
пузырьках голоценовых ПЖЛ (А1), где количество
метана со льду составило от 18 ppm до 227 ppm. В
верхненеоплейстоценовых ПЖЛ (А2) количество метана
больше
и
в
среднем
составляет
558
ppm.
Текстурообразующий лед во вмещающих ПЖЛ
отложениях содержал 132 ppm метана.
Значения изотопного состав углерода δ13С(CH4) из
залежей В и С показали изменение от -66,9‰ до -71,4‰.
Для шести образца льда из залежи В было определено
значение D по метану, которое изменялось от –326‰ до 259‰.
Обсуждение результатов
Изучение дисперсных отложений вмещающих ПЖЛ
разного возраста (А1 и А2), минеральных прослоев в
ледогрунтах (В) и пластовых монолитных льдов (С)
показало, что их формированию сопутствовала
восстановительная обстановка. О восстановительной
обстановке говорят или полное отсутствие трехвалентной
формы железа, или соотношение Fe2O3/FeO, которое не
превышает 0,9. Присутствие минерала марказита (FS2) в
черном
монолитном
льде
(С)
показатель
сероводородного загрязнения в застойных условиях
мелких озер и лагун, слабо связанных с морем. Такие
условия характерны для отложений мелководного
шельфа и лайд, куда реками выносятся континентальные
осадки с большим количеством органики. Здесь
отсутствует волновое перемешивание воды, а разложение
большого количества органики идет без доступа
кислорода. В условиях, когда скорость поступления
кислорода ниже скорости его потребления на окисление
органического
вещества,
возможна
деятельность
метанобразующих бактерий (архей).
Рис. 3. Изотопный состав метана δ13С,‰ в: 1 - современная
почва, подошва сезонно-талого слоя по [Ривкина и др., 2006);
2 - аллаиховская свита (средний неоплейстоцен) по [Ривкина и
др., 2006]; 3 - средненеоплейстоценовый ледовый комплекс по
[Ривкина и др., 2006]; 4 - аласные отложения по [Ривкина и др.,
2006]; 5 - средненеоплейстоценовые мерзлые морские
отложения по [Бондарев и др., 2008]; 6 – подземный лед В и С
(обсуждаемый в тексте); 7 - природный метан из
месторождений (сеноман) [Бондарев и др., 2008];
8 – атмосферный метан по [Bock et al. 2012].
Результаты изотопно-спектрометрического анализа
метана δC13(CH4), отобранного из газовых включений
залежей В и С, свидетельствуют о его бактериальном
происхождении (-70‰) in situ. Метанообразующие
бактерии используют легкие изотопы δC12, при этом
метан обогащается более легким изотопом углерода, δC13
(CH4) определяется величиной от -50‰ до -97‰ [Зорькин
и др., 1986]. Значения δC13(CH4) метана из
газовыделяющих слоев на глубинах 20-130 м на
Бованенковском
месторождении
меньше
-70‰.
Природный метан газоконденсатных месторождений
Ямала тяжелее и имеет значения изотопного состава
δC13 (CH4) -43-50‰ [Бондарев и др., 2008]. Изотопный
состав δC13 метана для криогенных пород других районов
Арктики приведен на рис. 3.
Значения δC13(CH4) метана из ПЛ (B и C) и
среднеплейстоценовых морских отложений Западной
Сибири такие, как в метане выделенного из отложений
ледового комплекса и аласов Северо-востока Арктики.
Предполагается общий генезис метана во ПЛ и глубоких
газосодержащих пластах, содержащих лед [Бондарев и
др., 2008]. Мерзлые породы в зоне их сплошного
распространения не способствуют миграции метана
[Ривкина и др., 2006] и являются надежным экраном на
пути
глубинного
метана,
образованного
термокаталитическом синтезе в нижней части земной
коры или верхней мантии. На то, что источником метана
в подземных льдах не является газ из нижележащих
продуктивных пластов, указывает и значение D (CH4) 326 ‰. Для термокаталитических газов значения D (CH 4)
больше -250‰ [Whiticar 1999].
Заключение
При син- и эпигенетическом промерзании прибрежных
отложений в субаквальных и субаэральных условиях
образовывались ПЖЛ и ПЛ, в разной степени
насыщенные метаном биогенного происхождения.
Биогенный метан формируется за счет комплекса
биохимических
реакций,
осуществляемых
метанобразующими микроорганизмами (метаногенами),
являющимися анаэробами. Больше всего метана
обнаружено в воздушных пузырьках ПЛ. По значениям
изотопов углерода по метану газ похож на
флюидопроявления из верхней мерзлой толщи
четвертичных
отложений
Бованенковского
месторождения, полуостров Ямал.
Предполагается, что метан, содержащийся в пластах
льда, при повышении температуры и при сокращении
мощности мерзлоты, занимает освободившиеся полости и
каверны в толще дисперсных отложений на глубинах 80130 м, а деятельность метанопродуцирующих бактерий
может продолжаться при отрицательных температурах
[Леин и др., 2003; Ривкина и др., 2006].
Количество метана во льду соизмеримо с количеством
метана поступающего со дна Карского моря у западных
берегов Ямала [Portnov et al. 2014]. Газопроявления на
дне моря могут быть связаны не только с нарушение
сплошности
субаквальной
мерзлоты,
но
и
высвобождением метана in situ при оттаивании.
Авторы выражают благодарность Б.Г. Ванштейну и
Е.М. Ривкиной за помощь в анализе газового состава
льдов и всем участникам полевых работ 2012-2014 года в
районе Марре-Сале.
Литература
Бондарев В.Л., Миротворский М.Ю., Зверева В.Б.,
Облеков, Г.И., Шайдуллин Р.М., Гудзенко В.Т. 2008.
Газогеохимическая характеристика надсеноманских
отложений полуострова Ямал (на примере
Бованенковского
нефтеконденсатного
месторождения). Геология, геофизика и разработка
нефтяных и газовых месторождений, 5, с. 52-34.
Веригина К.В. 1965. Методы определения некоторых
микроэлементов и железа в почве. Агрохимические
методы исследования почв. М., Наука, c. 305-322.
Зорькин Л.М., Суббота М.И., Стадник Е.В. 1986. Метан в
нашей жизни. М., Недра, 151 с.
Каневский М.З., Стрелецкая И.Д., Васильев А.А. 2005.
Закономерности
формирования
криогенного
строения четвертичных отложений Западного Ямала
(на примере района Марре-Сале). Криосфера Земли.
Т. IX (3). с. 16-27.
Леин А.Ю., Лейбман М.О., Саввичев А.С., Миллер Ю.М,
Пименов Н.В. 2003. Изотопно–биогеохимические
особенности
подземного
пластового
льда
полуостровов Югорского и Ямал. Геохимия. No.10.
с. 1084-1104.
Ривкина
Е.М.,
Краев
Г.Н.,
Кривушин
К.В.,
Лауринавичюс К.С., Федоров-Давыдов Д.Г, Холодов
А.Л., Щербакова В.А. , Гиличинский Д.А. 2006.
Метан в вечномерзлых отложениях северо-
восточного сектора Арктики. Криосфера Земли,
Т. X, № 3, с. 23-41.
Ривкина Е.М., Самаркин В.А., Гиличинский Д.А. 1992.
Метан в многолетнемерзлых отложениях КолымоИндигирской низменности. Докл. РАН, Т. 323, №3,
с. 559-563.
Стрелецкая И.Д., Каневский М.З., Васильев А.А. 2006.
Пластовые льды в дислоцированных четвертичных
отложениях западного Ямала. Криосфера Земли.
Т. X (2). с. 68-78.
Стрелецкая И.Д., Шполянская Н.А., Крицук Л.Н., Сурков
А.В. 2009. Кайнозойские отложения Западного
Ямала и проблема их генезиса. Вестн. МГУ. Сер. 5.
География. № 3. с. 50-57.
Стрелецкая И.Д., Гусев Е.А., Васильев А.А., Рекант П.В.,
Арсланов Х.А. 2012. Подземные льды в
четвертичных отложениях побережья Карского моря
как отражение палеогеографических условий конца
неоплейстоцена - голоцена // Бюллетень комиссии
по изучению четвертичного периода. № 72. С. 28-59.
Стрелецкая И.Д., Васильев А.А., Облогов Г.Е., Матюхин
А.Г. 2013. Изотопный состав подземных льдов
Западного Ямала (Марре-Сале). Лед и снег, №2
(122), с. 83-92.
Bock, J., Martinerie, P., Witrant, E., Chappellaz, J. 2012.
Atmospheric impacts and ice core imprints of a methane
pulse from clathrates Earth and Planetary Science
Letters
349-350
98-108.
http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2012.06.052
Leibman, M.O., Hubberten, H.-W., Lein, A.Yu.,
Streletskaya, I.D., Vanshtein, B.G. 2003. Tabular
ground ice origin in the Arctic coastal zone:
cryolithological and isotope-geochemical reconstruction
of conditions for its formation. In: M. Phillips, S. M.
Springman and L. U. Arenson (Eds.) Proc. of the 8th Int.
Conf. on Permafrost (Zurich, Switzerland, 21-25 July
2003), vol 1, Lisse, Netherlands, A.A.Balkema
Publishers, pp. 645-650.
Portnov, A., Mienert, J.& Serov, P.. 2014. Modeling the
evolution of climate-sensitive Arctic subsea permafrost
in regions of extensive gas expulsion at the West Yamal
shelf,
J.
Geophys.
Res.
Biogeosci.,
119,
doi:10.1002/2014JG002685.
Whiticar, M.J. 1999. Carbon and hydrogen isotope
systematics of bacterial formation and oxidation of
methane Chemical Geology 161, p. 291-314.
Wright, J.F., Chuvilin, E.M., Dallimore, S.R. et al. 1998.
Methane hydrate formation and dissociation in fine
sands at temperatures near 0 °C. Permafrost: Proc. of the
7th Intern. Conf., Yellowknife, Canada, p. 1147-1153.