Comparative Analysis of Gas-Geochemical Data from Ground-Based and Satellite Observations of the Sakhalin Island and Its Shelf (Northeast Russia): Tectonic Consequences

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The transitional zone of the marginal seas of the Asia‒Pacific region is a significant object for geological research, the large deposits of hydrocarbons (oil, gas, gas condensate, gas hydrates) have been discovered in the regions of the transition zone. The article gives an interpretation of the main gas-geochemical and geological-tectonic regularities of the occurrence and distribution of methane and carbon dioxide fields of different types on the shelf of Sakhalin Island. A study of the gas-geochemical parameters of the emitted gases in the “continent‒shelf” transit zone was carried out based on comparison of field studies and satellite observation data. The data of satellite observation of Sakhalin Island and its shelf are presented to identify the relationship between seismic events and changes in the level of methane concentration in the atmospheric air (in particular, on the example of the methane discharge regime of the Yuzhno-Sakhalinsky mud volcano). Remote sensing data are compared with the results of the field studies, and an assessment is made of the potential using satellite observation methods for studying the gas geochemical composition of the methane and carbon dioxide field. The results obtained can make it possible to refine the assessment of the emission of climatically active gases, and also bring the significant incentive to the development of the Russian Federation project “Far Eastern Marine Carbon Monitoring Plots Consortium”.

About the authors

N. S. Syrbu

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences (POI FEB RAS)

Author for correspondence.
Email: syrbu@poi.dvo.ru
Russia, 690041, Vladivostok, str. Baltiyskaya, bld. 43

A. O. Kholmogorov

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences (POI FEB RAS)

Email: syrbu@poi.dvo.ru
Russia, 690041, Vladivostok, str. Baltiyskaya, bld. 43

I. E. Stepochkin

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences (POI FEB RAS)

Email: syrbu@poi.dvo.ru
Russia, 690041, Vladivostok, str. Baltiyskaya, bld. 43

E. S. Khazanova

V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences (POI FEB RAS)

Email: syrbu@poi.dvo.ru
Russia, 690041, Vladivostok, str. Baltiyskaya, bld. 43

References

  1. Аверьев В.В. Углекислые мышьяковистые Синегорские воды на Южном Сахалине // Геология. 1975. Т. XXXII. № 3. С. 143–149.
  2. Алиев Ад.А. Грязевой вулканизм Южно-Каспийского нефтегазоносного бассейна // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2006. № 3. С. 35–51.
  3. Астахов А.С., Сергеев К.Ф., Мельников О.А. и др. Динамика процессов дефлюидизации Центрально-Сахалинского глубинного разлома при сейсмической активизации (по результатам мониторинга Южно-Сахалинского грязевого вулкана в июле–августе 2001 Г.) // ДАН. 2002. Т. 386. № 2. С. 223‒ 228.
  4. Басков Е.А., Суриков С.Н. Гидротермы Земли. – Под ред. И. К. Зайцева ‒ Л.: Недра, 1989. 243 с.
  5. Веселов О.В., Волгин П.Ф., Лютая Л.М. Строение осадочного чехла Пугачевского грязевулканического района (о. Сахалин) по данным геофизического моделирования // Тихоокеанская геология. 2012. Т. 31. № 6. С. 4‒15.
  6. Войтов Г.И. О химических и изотопно-углеродных нестабильностях грифонных газов грязевых вулканов (на примере Южно-Каспийской и Таманской грязевулканических провинций) // Геохимия. 2001. № 4. С. 422–433.
  7. Геология СССР. ‒ Т. XXXIII. ‒ Остров Сахалин – Под. ред. А.В. Сидоренко. – М.: Недра, 1970. С. 355–367.
  8. Гранник В.М. Сопоставление структурных элементов Сахалина и Хоккайдо // ДАН. 2005. Т.400. № 5. С. 654‒659.
  9. Гранник В.М. Восточно-Сахалинская островодужная система охотоморского региона // Литосфера. 2013. № 1. С. 36–51.
  10. Ершов В.В., Шакиров Р.Б., Обжиров А.И. Изотопно-геохимические характеристики свободных газов южно-сахалинского грязевого вулкана и их связь с региональной сейсмичностью // ДАН. 2011. Т. 440. № 2. С. 256‒261.
  11. Ершов В.В. К вопросу об изменчивости химического состава сопочных вод (на примере Южно-Сахалинского грязевого вулкана) // Тихоокеанская геология. 2017. Т. 36. № 1. С. 80‒88.
  12. Жарков Р.В. Физико-химические свойства термальных вод Луньских источников (остров Сахалин) // Геосистемы переходных зон. 2019. Т. 3. № 2. С. 249–255. https://doi.org/10.30730/2541-8912.2019.3.2.249-255
  13. Жарков Р.В., Козлов Д.Н., Веселов О.В., Ершов В.В., Сырбу Н.С., Никитенко О.А. Амурские термальные источники (остров Сахалин) // Успехи современного естествознания. 2018. № 11 (Ч.2). С. 317–322. https://doi.org/10.17513/use.36946
  14. Жарков Р.В., Козлов Д.Н., Ершов В.В., Сырбу Н.С., Никитенко О.А., Устюгов Г.В. Паромайские термальные источники острова Сахалин: современное состояние и перспективы использования // Геосистемы переходных зон. 2019. Т. 3. № 4. С. 428–437. https://doi.org/10.30730/2541-8912.2019.3.4.428-437
  15. Зеленов К.К. Вулканы как источник рудообразующих компонентов осадочных толщ. – Под ред. К.Н. Рудича ‒М.: Наука, 1972. 215 с.
  16. Карпов Г.А. Современные гидротермы и ртутно-сурьмяно-мышьяковое оруденение. – Под ред. С.Н. Набоко ‒ М.: Наука, 1988. 183 с.
  17. Лаврушин В.Ю., Поляк Б.Г. Источники вещества в продуктах грязевого вулканизма (по изотопным, гидрохимическим и геологическим данным) // Литология и полезные ископаемые. 1996. № 6. С. 625–647.
  18. Ломтев В.Л., Жердева О.А. К сейсмотектонике Сахалина: новые подходы // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2015. Т. 41. № 3. С. 56–58.
  19. Мельников О.А., Ершов В.В., Ким Чун Ун, Сен Рак Се. О динамике грифонной деятельности газоводолитокластитовых (грязевых) вулканов и ее связи с естественной сейсмичностью на примере Южно-Сахалинского вулкана (о. Сахалин) // Тихоокеанская геология. 2008. Т. 27. № 5. С. 25‒41.
  20. Николаевский В.Н., Рамазанов Т.К. Генерация и распространение волн вдоль глубинных разломов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1986. № 10. С. 3‒13.
  21. Полоник Н.С., Шакиров Р.Б., Сорочинская А.В., Обжиров А.И. Изучение состава углеводородных компонентов Южно-Сахалинского и Пугачевского грязевых вулканов // Доклады Академии наук. 2015. Т. 462. № 1. С. 79. https://doi.org/10.7868/S0869565215130216
  22. Родников А.Г., Забаринская Л.П., Пийп В.Б., Рашидов В.А., Сергеева Н.А., Филатова Н.И. Геотраверс региона Охотского моря // Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. 2005. № 5. С. 45–58.
  23. Родников А.Г., Забаринская Л.П., Сергеева Н.А. Глубинное строение сейсмоопасных регионов Земли (о. Сахалин) // Вестн. ОНЗ РАН. 2014. Т. 6. NZ1001. https://doi.org/10.2205/2014NZ000121 (https://onznews.wdcb.ru/publications/publ14.html)
  24. Рождественский В.С. Роль сдвигов в формировании структуры о. Сахалин // Геотектоника. 1982. № 4. С. 99–111.
  25. Собисевич А.Л., Лаверова Н.И., Собисевич Л.Е. и др. Сейсмоактивные флюидно-магматические системы Северного Кавказа. – Под ред. Н.П. Лаверова ‒ М.: ИФЗ РАН, 2005. 225 с.
  26. Соколов В.А. Геохимия природных газов. – М.: Недра, 1971. С. 293–320.
  27. Харахинов В.В. Нефтегазовая геология Сахалинского региона. – М.: Научный мир, 2010. 276 с.
  28. Челноков Г.А., Брагин И.В., Харитонова Н.А., Бушкарева К.Ю., Лаврушин В.Ю., Жарков Р.В., Челнокова Б.И., Карабцов А.А. Геохимия минеральных вод и гидрогенных отложений Антоновского сероводородного минерального источника (о. Сахалин) // Тихоокеанская геология. 2020. Т. 39. № 6. С. 98–113. https://doi.org/10.30911/0207-4028-2020-39-6-98-113
  29. Шакиров Р.Б. Газогеохимические поля окраинных морей восточной Азии. – Под ред. А.И. Обжирова ‒ М.: ГЕОС, 2018. 314 с.
  30. AIRS/AMSU/HSB Version 7 Level 2 Product User Guide. https://docserver.gesdisc.eosdis.nasa.gov/public/project/AIRS/V7_L2_Product_User_Guide.pdf (Accessed 10.05.2022).
  31. Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS), https://airs.jpl.nasa.gov/ (Accessed date 10.05.2022)
  32. Baranov B.V., R. Werner K.A., Hoernle et al. Evidence for compressionally induced high subsidence rates in the Kurile Basin (Okhotsk Sea) // Tectonophysics. 2002. Vol. 350. No. 1. P. 63–97. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(02)00081-1
  33. Chelnokov G., Zharkov R., Bragin I. Radon monitoring in groundwater and soil gas of Sakhalin Island // J. Geosci. Environ. Protect. 2015. Vol. 3. P. 48–53. https://doi.org/10.4236/gep.2015.35006
  34. Chelnokov G.A., Bragin I.V., Kharitonova N.A. Geochemistry of mineral waters and associated gases of the Sakhalin Island (Far East of Russia) // J. Hydrol. 2018. Vol. 559. P. 942–953. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.02.049
  35. Chudaeva V.A., Chudaev O.V. Accumulation and fractionation of rare earth elements in surface waters of the Russian Far East under the conditions of natural and anthropogenic anomalies // Geochem. Int. 2011. Vol. 49. No. 5. P. 498–524.
  36. Clayton J.L., Koncz I. “Geochemistry of natural gas and carbon dioxide in the Békés basin: Implications for exploration,” In: Basin Analysis in Petroleum Exploration, Ed. by P.G. Teleki, R.E. Mattick, J. Kókai, (Springer, Dordrecht, Berlin, Germany.1994). P. 187–199. https://doi.org/10.1007/978-94-011-0954-3_9
  37. https://earthquake.usgs.gov (Accessed September 2022).
  38. Environmental Protection Agency (EPA), “Methane and Nitrous Oxide Emissions from Natural Sources,” ‒ (Environ. Protect. Agency Office Atmosph. Progr., Washington, DC, USA. 2010), pp.194.
  39. Etiope G., Lassey K. R., Klusman R., Boschi E. Re-appraisal of the fossil methane budget and related emission from geologic sources // Geophys. Res. Lett. 2008. Vol. 35. No. 9B. P. 1–5. https://doi.org/10.1029/2008GL033623
  40. Ferretti D.F., Miller J.B., White J.W.C., Etheridge D.M., Lassey K.R., Lowe D.C., Meure C.M.M., Dreier M.F., Trudinger C.M., van Ommen T.D., Langenfelds R.L. Unexpected changes to the global methane budget over the past 2000 years // Science. 2005. Vol. 309. No. 5741. P. 1714–1717. https://doi.org/10.1126/SCIENCE.1115193
  41. Ginsburg G.D., Soloviev V.A., Cranston R.E., Lorenson T., Kvenvolden K.A. Gas hydrates from the continental slope, offshore Sakhalin Island, Okhotsk Sea // Geo-Marine Lett. 1993. Vol. 13. P. 41–48. https://doi.org/10.1007/BF01204391
  42. Harder S.L., Shindell D.T., Schmidt G.A., Brook E.J. A global climate model study of CH4 emissions during the Holocene and glacial-interglacial transitions constrained by ice core data // Global Biogeochem. Cycles. 2007. Vol. 21. No. 1. GB1011. https://doi.org/10.1029/2005GB002680
  43. Houweling S., Kaminski T., Dentener F., Lelieveld J., Heimann M. Inverse modeling of methane sources and sinks using the adjoint of a Global transport model // J. Geophys. Res.-Atmosph. 1999. Vol. 104. No. 21D. P. 26 137–26 160. https://doi.org/10.1029/1999JD900428
  44. Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), https://www.eumetsat.int/iasi (Accessed 12.05.2022).
  45. Junyuan Xu, Zvi Ben-Avraham, Tom Kelty, Ho-Shing Yu. Origin of marginal basins of the NW Pacific and their plate tectonic reconstructions // Earth-Sci. Rev. 2014. 130. P. 154–196.
  46. Kawagucci S., Ueno Y., Takai K., Toki T., Ito M., Inoue K., Makabe A., Yoshida N., Muramatsu Y., Takahata N., Sano Y., Narita T., Teranishi G., Obata H., Nakagawa S., Nunoura T., Gamo T. Geochemical origin of hydrothermal fluid methane in sediment-associated fields and its relevance to the geographical distribution of whole hydrothermal circulation // Chem. Geol. 2013. Vol. 339. P. 213–225. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2012.05.003
  47. Kholmogorov A.O., Syrbu N.S., Shakirov R.B. Study of Methane Concentration Variability in the Surface Layer of the Sea of Japan in the Context of Seismic Events (Based on the Results of Expedition Studies in 2017–2018) // Geodynamics & Tectonophysics. 2022. Vol. 13. Is. 3, 0642. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-3-0642
  48. Kim Y., Lee S., Jin Y.K., Baranov B.V., Obzhirov A.I., Salomatin A.S., Shoji H. The stability of gas hydrate field in the northeastern continental slope of Sakhalin Island, Sea of Okhotsk, as inferred from analysis of heat flow data and its implications for slope failures // Marin. Petrol. Geol. 2013. Vol. 45. P. 198–207. https://doi.org/10.1016/J.MARPETGEO.2013.05.003
  49. Kopf A. Significance of Mud Volcanism // Rev. Geophys. 2002. Vol. 40. № 2. P. 1005. doi: https://www.researchgate.net/publication/253455174_Significance_ of_Mud_Volcanismhttps://doi.org/10.1029/2000RG000093
  50. Lassey K.R., Etheridge D.M., Lowe D.C., Smith A.M., Ferretti D.F. Centennial evolution of the atmospheric methane budget: What do the carbon isotopes tell us? // Atmosph. Chem. Phys. 2006. Vol. 7. No. 8. P. 2119–2139. https://doi.org/10.5194/acp-7-2119-2007
  51. Lassey K.R., Lowe D.C., Smith A.M. The atmospheric cycling of radio-methane and the “fossil fraction” of the methane source // Atmosph. Chem.& Phys. 2007. Vol. 7. No. 8. P. 2141–2149. https://doi.org/10.5194/acp-7-2141-2007
  52. Martinelli G., Dadomo A. “Mud volcano monitoring and seismic events,” In: Mud Volcanoes, Geodynamics and Seismicity, Ed. by G. Martinelli, B. Panahi, (Springer, Netherlands. 2005), P. 187–199. https://doi.org/10.1007/1-4020-3204-8_17
  53. Mau S., Rehder G., Arroyo I. G., Gossler J., Suess E. Indications of a link between seismotectonics and CH4 release from seeps off Costa Rica // Geochem. Geophys. Geosyst. 2007. Vol. 8. Q04003. https://doi.org/04010.01029/02006GC001326
  54. Minami H., Tatsumi K., Hachikubo A., Yamashita S., Sakagami H., Takahashi N., Shoji H., Jin Y., Obzhirov A., Nikolaeva N., Derkachev A. Possible variation in methane flux caused by gas hydrate formation on the northeastern continental slope off Sakhalin Island, Russia // Geo-Marine Lett. 2012. Vol. 32. No. 6. P. 525–534.
  55. Miyakawa K., Tokiwa T., Murakami H. The origin of muddy sand sediments associated with mud volcanism in the Horonobe area of northern Hokkaido, Japan // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2013. 1412. P. 4980–4988. https://doi.org/10.1002/2013GC004924
  56. Obzhirov A., Shakirov R., Salyuk A., Suess E., Biebow N., Salomatin A. Relations between methane venting, geological structure and seismotectonics in the Okhotsk Sea // Geo-Marine Lett. 2004. Vol. 24. No. 3. P. 135–139. https://doi.org/10.1007/s00367-004-0175-0
  57. Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project, 2013, R/V “Akademik M.A. Lavrentiev” Cruise 59. ‒ Ed. by S. Jin, H. Shoji, et al., (Kitami Inst. Technol., Hokkaido, Japan. 2014), pp. 129.
  58. Polyak B.G., Prasolov E.M., Lavrushin V.Y., Cheshko A.L., Kamenskii I.L. He, Ar, Cand N isotopes in thermal springs of the Chukotka Peninsula: Geochemical evidence of the recent rifting in the Northeastern Asia // Chem. Geol. 2013. Vol. 339. P. 127–140. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2012.08.026
  59. Prasolov E.M., Tokarev I.V., Ginsburg G.D., Soloviev V.A., Eltsova G.M. Helium and other noble gases in gas-hydrate sediments of the Håkon Mosby Mud Volcano // Geo-Marine Lett. 1999. Vol. 19. P. 84–88. https://doi.org/10.1007/s003670050096
  60. Reyes A. Petrology and mineral alteration in hydrothermal systems: From diagenese to volcanic catastrophes. – Diss.Thesis, (Reykjavic, Iceland: United Nations Univ., 2000), 77 p. https://rafhladan.is/handle/10802/23371
  61. Shakirov R.B., Syrbu N.S. Natural sources of methane and carbon dioxide on Sakhalin Island and their role in the formation of ecological gas-geochemical zones // Water Resour. 2013. Vol. 40. No. 7. P. 752–760. https://doi.org/10.1134/S0097807813070129
  62. Shakirov R.B, Syrbu N.S, Obzhirov A.I. Distribution of helium and hydrogen in sediments and water on the Sakhalin slope // Lithol. Miner. Resour. 2016. Vol. 1. No. 51. P. 68‒81
  63. Taran Y., Morán-Zenteno D., Inguaggiato S., Varley N., Luna-González L. Geochemistry of thermal springs and geodynamics of the convergent Mexican Pacific margin // Chem. Geol. 2013. Vol. 339. P. 251–262. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2012.08.025
  64. Toutain J., Baubron J. Gas geochemistry and seismotectonics: A review // Tectonophysics. 1999. Vol. 304(1). P. 1–27. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00295-9
  65. TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI), https://sentinel.esa.int/web/sentinel/technical-guides/ sentinel-5p/products-algorithms (Accessed 11.05.2022).
  66. Tsunogai U., Kosaka A., Nakayama N., Komatsu D., Konno U., Kameyama S., Nakagawa F., Sumino H., Nagao K., Fujikura K., Machiyama H. Origin and fate of deep sea seeping methane bubbles at Kuroshima Knoll, Ryukyu forearc region, Japan // Geochem. Journal. 2010. Vol. 44. P. 461–476.
  67. Vereshchagina O.F., Korovitskaya E.V., Mishukova G.I. Methane in water columns and sediments of the North-Western Sea of Japan // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2013. Vol. 86–87. P. 25–33. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2012.08.017
  68. Yang T.F., Fu C.C., Walia V. et al. Seismo-geochemical variations in SW Taiwan: Multi-parameter automatic gas monitoring results // Pure Appl. Geophys. 2006. Vol. 163. No. 4. P. 693–709. https://doi.org/10.1007/s00024-006-0040-3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (3MB)
Indexing metadata
3.

Download (450KB)
Indexing metadata
4.

Download (770KB)
Indexing metadata
5.

Download (2MB)
Indexing metadata
6.

Download (2MB)
Indexing metadata
7.

Download (854KB)
Indexing metadata
8.

Download (870KB)
Indexing metadata
9.

Download (252KB)
Indexing metadata
10.

Download (159KB)
Indexing metadata
11.

Download (345KB)
Indexing metadata
12.

Download (199KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Н.С. Сырбу, А.О. Холмогоров, И.Е. Степочкин, Е.С. Хазанова