Gas-Geochemical Features of Bottom Sediments in the Linear Depression Zone of the West Kara Stage
- 作者: Sevastyanov V.S.1, Fedulova V.Y.1, Moroz E.A.2, Krasnova E.A.1,3, Naymushin S.G.1, Dushenko N.V.1, Voropaev S.A.1, Dolgonosov A.A.1
-
隶属关系:
- Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
- Geological Institute of Russian Academy of Sciences
- Lomonosov Moscow State University
- 期: 卷 65, 编号 2 (2025)
- 页面: 243-252
- 栏目: Химия моря
- URL: https://journals.eco-vector.com/0030-1574/article/view/684020
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0030157425020053
- EDN: https://elibrary.ru/DYBEXS
- ID: 684020
如何引用文章
全文:
详细
During the 89th cruise of the R/V Academic Mstislav Keldysh in 2022, sediment columns were sampled at stations 7441 and 7444 located in the southwestern part of the Kara Sea. Station 7444 was located on a large submeridional depression, under the bottom of which gas-saturated sedimentary strata were detected. Background station 7441 was located at a distance of 68 km from station 7444. For the sediments of the background station 7441, the ratio of hydrocarbon gases C1 / C2+ < 100 indicated their thermogenic nature. In the sediment at station 7441, the formation of the gas component in the sediment was due to degradation of OM and inflow of thermogenic gases, while in the sediment of station 7444 there was an inflow of biogenic gas, apparently, from permafrost. The average concentration of CH4 in the sediment of station 7444 exceeded the average concentration in the sediment of column 7441 by 700 times, and the average concentrations of CO2 in the sediment of stations 7444 and 7441 were comparable. A sulfate-methane transition zone (SMTZ) was detected at the 541–545 cm horizon of the sediment of station 7444, where sulfate concentration decreased to minimum values, CH4 and CO2 concentrations reached maximum values. The sulfur isotopic composition of δ34S in this region was +20.8‰. The biogenic nature of gas in the sediment of station 7444 was evidenced by low values of the carbon isotopic composition of CH4 (mean value δ13C(CH4) = –99.7‰), and high C1 / C2+ > 10000 ratio near the SMTZ.
全文:
ВВЕДЕНИЕ
В морских осадках Арктики захоронено большое количество углерода, которое составляет 1015 г [19]. Континентальный шельф играет значительную роль в глобальном цикле углерода, так как большая часть (80%) органического углерода захоронена на шельфе, который составляет 7.6% площади Мирового океана [11]. Диагенез органического вещества (ОВ) приводит к эмиссии метана и СО2 из морских осадков в водную толщу, а затем в атмосферу, что может вызывать глобальное потепление климата. При этом парниковый эффект от метана в 28 раз сильнее, чем от СО2 [17]. Повышение температуры вызывает таяние вечной мерзлоты и разложение газогидратов. Температура в Арктике повышается в 4 раза быстрее, чем в среднем по планете [24]. Предполагается, что газогидраты начнут активно разрушаться при повышении температуры придонной воды на 2 градуса [13]. Освободившиеся газы по разломам мигрируют к поверхности дна, приводя к повышению концентрации углеводородных газов в осадке. Эмиссия природного газа со дна на шельфе арктических морей и выделение газовых пузырей зарегистрированы во многих регионах Арктики [1, 2, 4, 9]. Сейсмоакустические исследования акватории Карского моря выявили наличие газа в структуре осадочного чехла и водной толще [7]. Оказалось, что аномалии типа “яркое пятно” (индикатор скопления газа) на сейсмоакустической записи часто расположены над разломными зонами [4].
В работах [15, 16] было показано, что на шельфе Кореи в бассейне Уллеунг и на шельфе Чукотского моря в морских осадках вблизи области сипов содержится большое количество метана биогенного и термогенного происхождения. Известен ряд работ [12, 18, 21, 22], в которых изучалось распределение газов в донных осадках на шельфе в области сиповых полей. Исследования морских осадков вблизи полуострова Ямал в южной части Карского моря показали, что в результате деградации многолетнемерзлых пород происходит миграция флюида и насыщение осадков метаном [23, 25].
Целью исследования было выявление газогеохимических особенностей в донных осадках в области субмеридиональной депрессии в юго-западной части Карского моря. Данные по распределению газов в осадочном чехле рифтогенной структуры Новоземельской впадины отсутствуют. Поэтому полученные результаты улучшат наше понимание процессов, происходящих при миграции газов через осадочную толщу к поверхности, позволят лучше понять углеродный цикл в Арктических морях и предвидеть будущие климатические изменения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Район исследования. Геохимические особенности осадочного чехла
В ходе 41 рейса НИС “Академик Николай Страхов” в 2019 г. были проведены исследования на полигоне, находящемся в юго-западной части Карского моря и представляющем собой крупную субмеридиональную депрессию со сложно построенным рельефом днища и бортов (рис. 1а). Съемка поверхности дна проводилась многолучевым эхолотным комплексом Reson Seabat 8111 с частотой сигнала 100 кГц. Сейсмопрофилирование верхней части осадочного разреза проводилось на непараметрическом профилографе Edgetech 3300 с модулируемой частотой сигнала 2–12 кГц. По данным высокочастотного профилирования в днище долины на северном участке были обнаружены признаки газонасыщенности осадочных толщ – так называемая газовая “труба”. В ходе 89 рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш” в 2022 г. (рис. 1б) в центральной части осадочного тела в днище палеодолины на глубине моря 225 м на станции 7444 была отобрана колонка осадков. На расстоянии 68 км от ст. 7444 находилась фоновая (станция сравнения) ст. 7441 (глубина моря 110 м), расположенная на Западно-Карской ступени вне зоны разломов и линейных депрессий.
Рис. 1. Рельеф полигона (а) и карта расположения станций пробоотбора (б) в районе ст. 7444. Штриховкой показана проекция газового фронта на поверхность дна. А–Б – линия акустического профилирования (см. рис. 2).
Анализ геоморфологии исследуемого участка позволяет установить основные этапы развития рельефа полигона в позднечетвертичное время. К началу четвертичного периода исследуемая территория представляла собой эрозионно-денудационную равнину, существенно переработанную в эпохи мессинской регрессии [8]. В период ранневалдайского оледенения полигон полностью находился под покровом льда, который перекрывал возможные выходы газа на поверхность по имеющимся ослабленным зонам в днище грабена. При деградации ледника в пределах грабенообразной долины и в южной части полигона функционировали потоки подледниковых каналов, производившие существенную эрозионную переработку-размыв и перенос приповерхностных отложений, быстрое углубление долины. В средневалдайское (каргинское время) исследуемая депрессия была затоплена морем, а отступание ледника, представлявшего собой естественный барьер на поверхности современного дна, способствовало активизации процессов дегазации. Также, итоговое снятие ледниковой нагрузки в интервале 13–11 тыс. лет назад, по-видимому, стимулировало малоамплитудные гляциоизостатические движения по существующим дизъюнктивам.
2.2. Методы исследования
Осадки отбирали с помощью мультикорера (МК – Mini Muc K/MT 410, KUM, Германия) и гравитационной трубы большого диаметра (ТБД). МК использовали для отбора осадков из верхних горизонтов до 20–30 см. Колонки осадков ст. 7444 (длина колонки 626 см) и ст. 7441 (длина колонки 308 см) представляли собой алевритово-пелитовые илы темно-серого цвета.
2.3. Газовый анализ
Влажные морские осадки (300 мл) помещали в бутылки (0.5 л) с насыщенным раствором NaCl, создавали в них гелиевый пузырь объемом 10 мл, в который извлекали находящиеся в осадке газы. Бутылки помещали в ультразвуковую ванну на 20 мин, затем в сушильный шкаф, нагретый до температуры 50–60°C, на 12 часов. Гелиевый пузырь с извлеченными газами с помощью шприца переносили в герметичный пенициллиновый флакон объемом 20 мл, предварительно заполненный насыщенным раствором NaCl. Концентрацию газов измеряли при помощи газового хроматографа “КристалЛюкс-4000М” (Россия) с капиллярными колонками HP-Plot Q (30 м × 0.53 мм × 40 мкм) и ZB-5 (30 м × 0.53 мм × 5 мкм). Поток газа-носителя гелия марки 6.0 составлял 10 мл/мин, температура термостата 120°C. Для анализа углеводородных газов в качестве детектора использовали пламенно-ионизационный детектор (ПИД) и для анализа серосодержащих газов – пламенно-фотометрический (ПФД). В результате были выделены углеводородные газы (СН4, С2Н4, С2Н6, С3Н6, С3Н8, С4Н8, n-С4Н10), СО2, CH3SCH3.
Изотопный состав углерода (δ13С) метана и углекислоты измерялся на кафедре геологии и геохимии горючих ископаемых МГУ им. М.В. Ломоносова на масс-спектрометре изотопных отношений Delta V Advantage (Finnigan, Германия), соединенном с газовым хроматографом Trace GC Ultra и приставкой Isolink с окислительным реактором. Проба газа объемом 0.1 мл закалывалась в газовый хроматограф. Разделение компонентов газа осуществлялось в капиллярной колонке CP-PoraPLOT (27.5 м × 0.32 мм × 10 мкм) в потоке газа-носителя гелия при температуре 40°C. Далее проба попадала в окислительный реактор (никелевая трубка, заполненная медной и никелевой проволокой, периодически регенерируемая в потоке кислорода), нагретый до 1029°С, где компоненты газа окислялись до углекислого газа. Через интерфейс ConFlo IV проба поступала в ионный источник масс-спектрометра. Изотопный состав углерода выражается в ‰ относительно VPDB. Воспроизводимость результатов анализа, включая полный цикл пробоподготовки образцов, не выходит в среднем за пределы ± 0.2‰.
2.4. Анализ органического вещества
Деление ОВ, выделенного из осадка, на фракции проводили по методике, разработанной в лаборатории геохимии углерода ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского [6]. Осадки высушивали при температуре 50°C, перетирали в шаровой мельнице (тонкость помола ≈ 60 мкм), затем проводили экстракцию ОВ из осадков в аппарате Сокслета смесью бензола и метанола (9 : 1 об.) в течение 36 часов. В экстрагированный образец ОВ добавляли н-пентан в 50-кратном избытке для отделения асфальтенов. Затем проводили последовательное разделение фракций ОВ по возрастающей полярности методом жидкостно-адсорбционной хроматографии на силикагеле АСКГ с размером зерен 0.2–0.5 мм. Выделяли неполярную гексановую (Г) фракцию, три фракции возрастающей полярности – гексан-бензольную (ГБ), бензольную (Б) и бензол-метанольную (БМ), а также асфальтены (А). Содержание экстрагированного ОВ в осадке приводится в единицах мг/г сухого осадка.
Изотопный состав углерода экстрагированного ОВ измеряли с помощью элементного анализатора Flash EA 1112 (Thermo Scientific, Германия), соединенного с масс-спектрометром изотопных отношений Delta Plus XP (Thermo Fisher Scientific, Германия). Температура окислительного реактора составляла 1020°C, восстановительного реактора – 650°C. Оценка правильности измерений осуществлялась по международному стандарту масла NBS22 (δ13СVPDB = –29.7‰). Стандартное отклонение анализа составляло ± 0.2‰. Полученные значения изотопного состава углерода приведены в виде величины δ13С относительно международного стандарта VPDB.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На сейсмоакустическом разрезе в районе ст. 7444 на глубине около 18 м от поверхности дна была обнаружена хорошо выраженная акустическая аномалия (типа “яркое пятно”, или т. н. газовая “труба”), за которой происходило затухание сигнала, фиксирующего кровлю газового фронта (рис. 2). Дно долины осложнено валами и ложбинами. Наиболее крупной формой на дне долины является вал, тянущийся более чем на 8 км вдоль депрессии, представляющий собой мелководный контуритовый дрифт. Ширина газового фронта по разрезу вблизи ст. 7444 составляет около 580 м, что говорит о внедрении газа в осадки, слагающие большую часть площади днища трога. Площадь кровли газового фронта оценивается приблизительно в 0.8 км2. Выявленная по сейсмоакустическим данным площадная газовая аномалия имеет связь с палеорельефом и геологическим строением. В неоген-четвертичное время палеозойские и мезозойские рифтогенные структуры Карского шельфа испытали неотектонические движения [5] отрицательного знака, которые привели к интенсивному погружению отдельных форм.
Рис. 2. Профиль высокочастотного акустического профилирования (2–12 кГц) по линии A–Б (см. рис. 1) с выраженной аномалией типа “яркое пятно”, фиксирующей кровлю газового фронта.
Вертикальное распределение концентрации некоторых газов и изотопный состав углерода CH4 и CO2 для осадков ст. 7441 и 7444 приведены в табл. 1.
Таблица 1. Вертикальное распределение концентрации и δ13C для некоторых газов осадков ст. 7441 и 7444
Горизонт, см | Концентрация, мкг/л | C1 / (C2 + C3) | δ13CCH4 (‰) | δ13CCO2 (‰) | |||
CH4 | C2H6 | C3H8 | CO2 | ||||
Станция 7441 | |||||||
0–6 | 4.47 | 0.18 | 0.11 | 134 | 15.4 | –* | – |
6–10 | 3.04 | 0.39 | 0.35 | 190 | 4.12 | – | – |
10–14 | 2.23 | 0.43 | 0.13 | 158 | 3.96 | – | – |
14–18 | 1.21 | 4.82 | 0.36 | 113 | 0.23 | – | – |
10–14 | 1.36 | 0.28 | 0.71 | 97.7 | 1.38 | – | – |
34–38 | 1.00 | 0.37 | 0.28 | 121 | 1.54 | – | – |
57–61 | 1.03 | 0.29 | 0.40 | 155 | 1.50 | – | – |
105–109 | 1.79 | 0.40 | 0.41 | 506 | 2.21 | – | – |
121–125 | 1.25 | 0.25 | 0.16 | 340 | 3.01 | – | – |
171–175 | 1.88 | 0.35 | 0.37 | 1090 | 2.58 | – | – |
212–216 | 3.16 | 0.43 | 0.35 | 1610 | 4.05 | – | – |
260–264 | 3.67 | 0.44 | 0.35 | 1500 | 4.70 | – | – |
300–304 | 2.53 | 0.30 | 0.23 | 1690 | 4.76 | – | – |
Станция 7444 | |||||||
0–6 | 1.30 | 0.22 | 0.07 | 158 | 4.43 | – | –18.5 |
6–10 | 1.43 | 0.16 | 0.13 | 33.1 | 4.92 | – | –21.0 |
10–14 | 2.40 | 0.16 | 0.15 | 161 | 7.97 | – | –14.7 |
14–18 | 4.36 | 0.19 | 0.14 | 199 | 12.9 | – | –16.7 |
22–26 | 5.66 | 0.20 | 0.03 | 256 | 24.8 | – | –15.8 |
14–18 | 2.46 | 0.20 | 0.18 | 200 | 6.43 | – | –15.4 |
22–26 | 4.29 | 0.18 | 0.13 | 259 | 13.7 | – | –15.7 |
52–56 | 18.7 | 0.28 | 0.25 | 608 | 35.4 | – | –16.6 |
91–95 | 44.6 | 0.28 | 0.23 | 818 | 86.9 | – | –15.9 |
125–129 | 68.6 | 0.26 | 0.19 | 228 | 151 | –100.6 | –16.6 |
175–179 | 88.3 | 0.32 | 0.27 | 651 | 150 | –99.8 | –16.2 |
195–199 | 118 | 0.30 | 0.18 | 1160 | 245 | –100.9 | –16.9 |
247–251 | 159 | 0.31 | 0.00 | 1450 | 507 | –101.9 | –19.3 |
285–289 | 209 | 0.31 | 0.00 | 1320 | 681 | –97.4 | –17.6 |
352–356 | 450 | 0.36 | 0.26 | 1610 | 736 | –99.4 | –17.7 |
419–423 | 1040 | 0.57 | 0.18 | 1820 | 1410 | –99.7 | –17.8 |
492–496 | 4820 | 0.85 | 0.25 | 2320 | 4390 | –99.6 | –18.7 |
541–545 | 10700 | 0.54 | 0.02 | 2970 | 19200 | –97.4 | –24.9 |
618–622 | 8440 | 0.53 | 0.19 | 3030 | 11700 | –96.0 | –17.3 |
Примечание. * – для данных горизонтов измерение не проводилось.
Из рис. 3 видно, что концентрация СН4 возрастала с увеличением глубины осадка ст. 7444 от 1.2 мкг/л в поверхностных слоях до максимального значения 1.1 × 104 мкг/л на горизонте 543 см. Концентрация СН4 с увеличением глубины осадка на фоновой ст. 7441 возрастала ~ в 4 раза (рис. 3). При этом средняя концентрация СН4 в осадке ст. 7444 превышала среднюю концентрацию в осадке ст. 7441 в 700 раз. Напротив, средние концентрации СО2 в осадках ст. 7444 и 7441 были сопоставимы. Коэффициент детерминации R2 между концентрациями СН4 и СО2 для осадков ст. 7441 и 7444 составлял 0.36 и 0.84 соответственно. Непредельные углеводородные газы С2Н4 и С3Н6 в осадке ст. 7441 отсутствовали, а средняя концентрация CH3SCH3 по колонке осадка ст. 7441 была в 10 раз меньше концентрации в осадке ст. 7444. В осадке ст. 7444 изотопный состав углерода δ13С(СН4) изменялся от –96‰ на горизонте 618–622 см до –101‰ на горизонте 125–129 см, значение δ13С(СО2) на горизонте 541–545 см составляло –24.9‰, при этом среднее значение по колонке (19 горизонтов) было –17.5‰ (табл. 1).
Рис. 3. Вертикальное распределение газов в осадках ст. 7444 (а) и 7441 (б).
Вертикальное распределение количества экстрагированного ОВ в осадках ст. 7441 и 7444 представлено на рис. 4. Содержание экстрагированного ОВ в осадке ст. 7444 уменьшалось в 5 раз при увеличении глубины осадка и на горизонте 40 см достигало постоянного уровня, совпадающего с количеством ОВ в осадке колонки ст. 7441.
Рис. 4. Вертикальное распределение экстрагированного ОВ в осадках ст. 7441 и 7444.
Изменение изотопного состава углерода экстрагированного ОВ с глубиной осадка ст. 7441 и 7444 представлено на рис. 5. Видно, что величина δ13С в толще осадка уменьшается (рис. 5). При этом на глубине 300 см δ13С ОВ в осадке ст. 7444 на ~1‰ больше, чем в осадке ст. 7441.
Рис. 5. Изменение изотопного состава углерода экстрагированного ОВ с глубиной осадка ст. 7441 и 7444.
Вертикальное распределение содержания и величин δ13С фракций ОВ в осадках ст. 7441 и 7444 представлено в табл. 2, из которой видно, что с увеличением глубины осадка ст. 7441 содержание А фракции уменьшается в результате диагенеза ОВ. При этом содержания БМ и Б фракций практически не изменялись, а содержания Г и ГБ фракций возрастали в результате деградации А фракции. С увеличением глубины осадка колонки 7444 содержания А и БМ фракций уменьшались незначительно, а содержания Г и ГБ фракций возрастали примерно в 2 раза.
Таблица 2. Вертикальное распределение концентрации и δ13С фракций ОВ в осадках ст. 7441 и 7444
Горизонт, см | δ13Собщ, ‰ | Фракции | |||||||||
Г | ГБ | Б | БМ | А | |||||||
δ13С, ‰ | мас. % | δ13С, ‰ | мас. % | δ13С, ‰ | мас. % | δ13С, ‰ | мас. % | δ13С, ‰ | мас. % | ||
Станция 7441 | |||||||||||
Пов-ть | –28.7 | –30.7 | 7.8 | –28.6 | 3.4 | –28.7 | 8.3 | –28.4 | 36.8 | –28.3 | 43.7 |
0–5 | –29.2 | –31.2 | 7.1 | –31.1 | 5.9 | –30.3 | 6.8 | –28.6 | 45.6 | –28.5 | 34.6 |
5–10 | –29.6 | –31.2 | 7.5 | –30.4 | 7.6 | –30.3 | 8.6 | –29.7 | 46.3 | –28.6 | 30.0 |
10–15 | –29.3 | –30.7 | 14.6 | –31.8 | 10.8 | –31.1 | 8.1 | –28.0 | 45.4 | –28.2 | 21.1 |
14–18 | –29.5 | –31.3 | 9.2 | –31.1 | 7.5 | –28.7 | 11.7 | –28.8 | 33.1 | –29.1 | 38.5 |
38–42 | –30.4 | –31.1 | 20.6 | –30.9 | 8.6 | –31.4 | 7.8 | –30.7 | 36.7 | –28.4 | 26.3 |
83–87 | –30.4 | –31.7 | 25.2 | –31.6 | 10.6 | –31.3 | 6.6 | –30.0 | 34.6 | –28.8 | 23.0 |
151–155 | –30.5 | –31.6 | 19.2 | –31.6 | 16.5 | –31.5 | 7.2 | –31.2 | 36.0 | –27.0 | 21.1 |
216–220 | –30.1 | –30.7 | 23.9 | –31.5 | 10.8 | –31.7 | 9.2 | –28.9 | 44.9 | –30.1 | 11.2 |
304–308 | –30.0 | –30.2 | 21.3 | –30.6 | 16.9 | –30.3 | 7.2 | –29.8 | 37.8 | –29.5 | 16.8 |
Станция 7444 | |||||||||||
Пов-ть | –28.2 | –30.4 | 5.8 | –29.8 | 3.8 | –29.3 | 4.4 | –28.2 | 38.6 | –27.9 | 47.4 |
0–5 | –29.2 | –30.9 | 3.5 | –30.7 | 2.2 | –30.0 | 2.9 | –29.0 | 49.8 | –28.6 | 41.6 |
5–10 | –27.3 | –29.3 | 5.6 | –28.8 | 5.2 | –28.1 | 5.2 | –27.0 | 39.6 | –27.2 | 44.4 |
10–15 | –27.2 | –29.0 | 4.4 | –29.7 | 3.9 | –28.4 | 5.2 | –26.8 | 44.1 | –26.7 | 42.4 |
46–50 | –27.9 | –30.1 | 7.1 | –29.6 | 1.0 | –29.3 | 4.4 | –28.6 | 43.1 | –27.0 | 44.4 |
71–75 | –28.6 | –30.5 | 9.8 | –30.1 | 8.2 | –30.0 | 6.1 | –27.7 | 38.2 | –28.0 | 37.7 |
107–111 | –27.7 | –29.8 | 9.2 | –29.5 | 7.1 | –28.9 | 7.5 | –27.4 | 33.8 | –26.9 | 42.4 |
149–153 | –29.3 | –30.3 | 10.5 | –30.1 | 13.0 | –28.9 | 5.5 | –28.9 | 39.0 | –28.8 | 32.0 |
221–225 | –29.6 | –31.3 | 16.8 | –29.6 | 18.1 | –30.6 | 9.4 | –29.2 | 30.2 | –28.7 | 25.5 |
289–293 | –28.7 | –30.4 | 20.1 | –30.4 | 6.6 | –27.8 | 5.3 | –27.9 | 36.4 | –27.8 | 31.6 |
356–360 | –29.1 | –30.0 | 11.8 | –29.6 | 9.0 | –30.1 | 5.0 | –29.0 | 33.5 | –28.8 | 40.7 |
423–427 | –30.0 | –31.3 | 10.6 | –31.8 | 11.8 | –30.6 | 8.6 | –29.4 | 30.8 | –29.5 | 38.0 |
496–500 | –28.0 | –30.2 | 10.8 | –29.9 | 10.2 | –29.5 | 4.8 | –28.0 | 35.5 | –26.9 | 38.7 |
545–549 | –29.6 | –31.6 | 11.1 | –30.3 | 6.4 | –29.5 | 8.0 | –29.6 | 28.7 | –29.0 | 45.8 |
622–626 | –29.2 | –31.0 | 12.4 | –30.0 | 6.2 | –29.9 | 6.7 | –29.0 | 34.9 | –28.7 | 39.8 |
Основной закономерностью изотопно-фракционных характеристик (ИФХ) ОВ является сдвиг в сторону низких значений δ13С с увеличением глубины осадка (рис. 6).
Рис. 6. Изменение формы изотопно-фракционных кривых некоторых горизонтов с глубиной осадка ст. 7441 (а) и 7444 (б).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
По данным детальной многолучевой батиметрической съемки депрессия в районе нахождения ст. 7444 имеет вид грабенообразной долины с признаками существенной флювиальной переработки. По данным высокочастотного профилирования осадочный чехол в днище долины сверху вниз сложен стратифицированными, хорошо акустически проницаемыми осадками, слагающими тело дрифта [3]. По сейсмоакустическим данным был зафиксирован подъем газа в тонкослоистые осадки на рубеже плейстоцена и голоцена в результате разрушения толщ многолетнемерзлых пород в условиях постгляциальной трансгрессии. Вертикальная миграция УВ газов в осадке подтверждается их распределением по глубине осадка (рис. 3).
Углеводородные газы, образованные в результате микробного восстановления СО2, в основном состоят из метана (С1) и следовых газов этана (С2) и пропана (С3) с соотношением С1 / (С2 + С3) > 1000 [16], поскольку в этом случае образуется значительно больше метана, чем этана и пропана. Термогенные газы, наоборот, в основном, обогащены С2 и С3, и соблюдается отношение С1 / (С2 + С3) < 100 [26]. Для слоев осадка ст. 7444 глубже 125 см отношение С1 / (С2 + С3) достигает 102–104 (табл. 1), что свидетельствует о биогенной природе УВ газов в этих осадках. Однако, в поверхностных горизонтах ст. 7444 отношение С1 / (С2 + С3) становится меньше 100 в результате микробного окисления СH4. Для осадка ст. 7441 соотношение С1 /(С2 + С3) < 100 свидетельствует о термогенной природе УВ газов. Также из классификации по типу генезиса [20], следует, что УВ газы осадка ст. 7444 имеют микробиологическую природу. Средняя величина δ13С(СН4) для ст. 7444 составляла –99.7‰. Следует отметить повышенную концентрацию CH3SCH3 в осадке ст. 7444, которая в 10 раз превышает концентрацию CH3SCH3 в осадке ст. 7441 (рис. 3). Обычно повышенная концентрация диметилсульфида связана с бактериальным расщеплением соединений, входящих в состав водорослей и цианобактерий [14]. О накоплении бактериальной массы в осадке ст. 7444 свидетельствуют повышенная концентрация экстрагированного ОВ (рис. 4) и повышенные величины δ13C(ОВ) (рис. 5). Неравномерное вертикальное изменение величины δ13C ОВ в осадке ст. 7444 связано с изменением молекулярного состава ОВ по глубине осадка (табл. 2). Высокий коэффициент корреляции R2 = 0.84 между содержанием CH4 и СО2 свидетельствует о миграции газов из общего источника, газовой “трубы”.
В основном, ОВ в морских осадках деградирует за счет восстановления сульфатов: 2CH2O + SO42–→ 2HCO3– + H2S. При этом метаногенез происходит при ферментации ацетата выше сульфатно-метановой переходной зоны (SMTZ) и восстановлении СО2 ниже SMTZ. Вблизи SMTZ происходит анаэробное окисление метана CH4 + SO42–→ HCO3– + HS– + H2O. По-видимому, для осадка ст. 7441 до максимальной глубины пробоотбора (308 см) SMTZ не достигается и основной реакцией разложения ОВ является реакция при участии SO42–. Для осадка ст. 7444 в слое 541–622 см концентрация СН4 достигает максимальной величины. При этом в данном слое величина δ13С(СН4) имеет максимальное значение, а δ13С(СО2) минимальное (табл. 1), как это обычно происходит в области SMTZ. Аналогичные закономерности в SMTZ были получены для морских осадков Чукотского и Японского морей [15, 16].
Обычно при диагенезе ОВ в морском осадке происходит разрушение А фракции, образованной гетероциклическими УВ, и формирование Г и ГБ фракций (увеличение концентрации) [10]. Для осадка ст. 7441 коэффициент корреляции между содержанием Г, ГБ фракциями и А фракцией составлял R2 = 0.72 и 0.61 соответственно. Содержание А фракции в осадке ст. 7444 (табл. 2) практически не менялось с глубиной горизонта, а содержание Г и ГБ фракций возрастало. Это означает, что газовый состав в осадке ст. 7444 в основном формировался за счет подтока газа из газовой “трубы”, а не за счет разрушения А фракции. Следует отметить, что содержания ОВ в осадках ст. 7441 и 7444 ниже горизонта 40 см практически совпадают (рис. 4), а содержание СН4 оставалось постоянным по всей глубине осадка ст. 7441.
Известно, что для ИФХ ОВ в морском осадке существует зависимость δ13С(А) > δ13С(БМ) > > δ13С(Б) > δ13С(ГБ) > δ13С(Г), которая была описана академиком Э.М. Галимовым [10]. Было обнаружено, что для фиксированного горизонта осадков ст. 7441 и 7444 соблюдается правило: [δ13С(А) > δ13С(БМ) > δ13С(Б) > δ13С(ГБ) > > δ13С(Г)]7444> [δ13С(А) > δ13С(БМ) > δ13С(Б) > > δ13С(ГБ) > δ13С(Г)]7441. Это означает, что ОВ в осадке ст. 7441 является более преобразованным. Характерный вид ИФХ ОВ обеих станций связан с особенностями диагенетического преобразования ОВ в осадке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные данные свидетельствуют, что ст. 7444 расположена на дне долины, представляющей крупную субмеридиональную депрессию в юго-западной части Карского моря. Формирование слоистой толщи осадков можно отнести к экзогенным палеогеографическим процессам. Осадочные толщи насыщены УВ газами и СО2, предположительно связанными с деградацией многолетнемерзлых пород. Миграция газов приводит к их скоплению в зоне разрывных нарушений и формированию вертикальных газовых “труб”. О биогенном происхождении УВ газов в осадке ст. 7444 свидетельствовали низкие значения δ13С(СН4) от –101‰ до –96‰ и высокое отношение углеводородных газов С1 / (С2 + С3) > 10000 в слое 541–622 см осадка ст. 7444. В этой области концентрация СН4 достигала максимального значения 1.1 × 104 мкг/л. Для осадка фоновой ст. 7441 было получено соотношение С1 / (С2 + С3) < 100, указывающее на термогенную природу УВ газов. Основные закономерности поведения УВ газов в осадках связаны с источниками поступления газов в осадки ст. 7444 и 7441.
Благодарности. Авторы благодарят руководителя экспедиции М.Д. Кравчишину, а также экипаж НИС “Академик Мстислав Келдыш” за помощь при проведении исследований.
Финансирование работы. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (РНФ) № 23-27-00296.
Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
作者简介
V. Sevastyanov
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
编辑信件的主要联系方式.
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
V. Fedulova
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
E. Moroz
Geological Institute of Russian Academy of Sciences
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
E. Krasnova
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow; Moscow
S. Naymushin
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
N. Dushenko
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
S. Voropaev
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
A. Dolgonosov
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Email: vsev@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Moscow
参考
- Ананьев Р.А., Дмитревский Н.Н., Росляков А.Г. и др. Использование комплексных акустических методов для мониторинга процессов эмиссии газов на шельфе арктических морей // Океанология. 2022. Т. 62. № 1. С. 151–157.
- Баранов Б.В., Лобковский Л.И., Дозорова К.А. и др. Система разломов, контролирующих метановые сипы на шельфе моря Лаптевых // Докл. РАН. 2019. Т. 486. № 3. С. 354–358.
- Баранов Б.В., Амбросимов А.К., Мороз Е.А. и др. Позднечетвертичные контуритовые дрифты на шельфе Карского моря // Докл. РАН. Науки о Земле. 2023. Т. 511. № 2. С. 102–108.
- Бондур В.Г., Кузнецова Т.В. Выявление газовых сипов в акваториях арктических морей с использованием данных дистанционного зондирования // Исследование Земли из космоса. 2015. № 4. С. 30–43.
- Верба М.Л. Современное билатеральное растяжение земной коры в Баренцево-Карском регионе и его роль при оценке перспектив нефтегазоносности // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2007. Т. 2. С. 1–37.
- Галимов Э.М., Кодина Л.А. Исследование органического вещества и газов в донных толщах дна Мирового океана. М.: Наука, 1982. 228 с.
- Денисова А.П., Мороз Е.А., Сухих Е.А. и др. Признаки глубинной дегазации в верхней части осадочного чехла шельфа и водной толще Карского моря // Геология морей и океанов: Материалы XXIV Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. М.: ИО РАН, 2021. Т. IV. С. 235–239.
- Мусатов Е.Е. Палеодолины Баренцево-Карского шельфа // Геоморфология. 1998. № 2. С. 90–95.
- Соколов С.Ю., Мороз Е.А., Агранов Г.Д. и др. Проявления дегазации в верхней части осадочного разреза Печорского моря и ее связь с тектоникой // Докл. РАН. Науки о Земле. 2021. Т. 499. № 2. С. 91–96.
- Galimov E.M. Isotope organic geochemistry // Org. Geochem. 2006. V. 37. № 10. P. 1200–1262. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2006.04.009
- Hedges J.I., Keil R.G. Sedimentary organic matter preservation: an assessment and speculative synthesis // Mar. Chem. 1995. V. 49. P. 81–115. https://doi.org/10.1016/0304-4203(95)00008-f
- Hilligsoe K.M., Jensen J.B., Ferdelman T.G. et al. Methane fluxes in marine sediments quantified through core analyses and seismo-acoustic mapping (Bornholm Basin, Baltic Sea) // Geochim. Cosmochim. Acta. 2018. V. 239. P. 255–274. https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.07.040
- Hong W.L., Torres M.E., Carroll J. et al. Seepage from an Arctic shallow marine gas hydrate reservoir is insensitive to momentary ocean warming // Nature Commun. 2017. 8:15745. https://doi.org/10.1038/ncomms15745
- Keller M.D, Bellows W.K., Guillard R.R. Dimethyl sulfide production in marine phytoplankton // In: Saltzman E.S., Cooper W.J. (Eds.). Biogenic sulfur in the environment. Washington, D.C.: American Chemical Society, 1989. P. 167–182.
- Kim J.H., Torres M.E., Choi J. et al. Inferences on gas transport based on molecular and isotopic signatures of gases at acoustic chimneys and background sites in the Ulleung Basin // Org. Geochem. 2012. V. 43. P. 26–38. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2011.11.004
- Kim J.H., Hachikubo A., Kida M. et al. Upwarding gas source and postgenetic processes in the shallow sediments from the ARAON Mounds, Chukchi Sea // J. Nat. Gas Sci. Eng. 2020. V. 76. 103223. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2020.103223
- Mau S., Romer M., Torres M.E. et al. Widespread methane seepage along the continental margin off Svalbard-from Bjornoya to Kongsfjorden // Sci. Rep. 2017. 7:42997. https://doi.org/10.1038/srep42997
- Mazumdar A., João H.M., Peketi A. et al. Geochemical and geological constraints on the composition of marine sediment pore fluid: Possible link to gas hydrate deposits // Mar. Pet. Geol. 2012. V. 38. P. 35–52. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2012.07.004
- McGuire A.D., Anderson L.G., Christensen T.R. et al. Sensitivity of the carbon cycle in the Arctic to climate change // Ecol. Monogr. 2009. V. 79. P. 523–555. https://doi.org/10.1890/08–2025.1.
- Milkov A.V., Etiope G. Revised genetic diagrams for natural gases based on a global dataset of > 20.000 samples // Org. Geochem. 2018. V. 125. P. 109–120. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2018.09.002
- Niemann H., Elvert M., Hovland M. et al. Methane emission and consumption at a North Sea gas seep (Tommeliten area) // Biogeosciences. 2005. V. 2 P. 335–351. https://doi.org/10.5194/bg-2–335–2005
- Pohlman J.W., Riedel M., Bauer J.E. et al. Anaerobic methane oxidation in low-organic content methane seep sediments // Geochim. Cosmochim. Acta. 2013. V. 108. P. 184–201. https://doi.org/10.1016/j.gca.2013.01.022
- Portnov A., J. Smith A.J., Mienert J. et al. Offshore permafrost decay and massive seabed methane escape in water depths > 20m at the South Kara Sea shelf // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 3962–3967. https://doi.org/10.1002/grl.50735
- Rantanen M., Karpechko A.Y., Lipponen A. et al. The Arctic has warmed nearly four times faster than the globe since 1979 // Commun Earth Environ. 2022. V. 3. https://doi.org/10.1038/s43247-022-00498-3
- Semenov P., Portnov A., Krylov A. et al. Geochemical evidence for seabed fluid flow linked to the subsea permafrost outer border in the South Kara Sea // Geochemistry. 2020. V. 80. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2019.04.005
- Whiticar M.J. Carbon and hydrogen isotope systematics of bacterial formation and oxidation of methane // Chem. Geol. 1999. V. 161. P. 291–314. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(99)0009-3
补充文件
