Methane in water and bottom sediments of lake Baikal

Cover Page

Abstract


The results of the methane concentration distribution in different areas of Lake Baikal obtained in 2014 and 2015 were analyzed in this study. In periods of expedition examinations, the methane concentration in the water and in the bottom sediments of the lake varied in a range from <0.1 to 13.9 μl/dm3 (average: 0.7 μl/dm3) and from <0.01 to 3.69 μg/g of the dry deposition (average: 0.34 μg/g). The maximum methane concentrations in the water and bottom sediments in the lake were typical for the North region, where rivers Verkhnyaya Angara and Kichera are flowing, and in the individual stations of the profile set along the mouth area of the river Selenga, as well as the stations located in the zone of the waste water underwater release of Baikalsk City and the Baikalsk pulp and paper mill closed in 2013. The presence of increased and decreased methane concentrations in the examined top strata of the sediments of Lake Baikal was stipulated herein aside from the differences in the power of the anthropogenic effect by the variation of the sediment accumulation conditions determining the particle size distribution and the organic matter content and, as a result, by the methanogenesis intensity.


ВВЕДЕНИЕ

Пресное оз. Байкал, включенное в 1996 г. в список объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО, – одно из самых грандиозных геологических образований на Земном шаре. Низкая минерализация (~100 мг/дм3) и специфический состав воды озера, своеобразие животного и растительного мира, высокое содержание молекулярного кислорода, несмотря на большие глубины (максимум 1637 м), вызывают постоянный интерес ученых всего мира. Байкал расположен в южной части Восточной Сибири между 51° и 56° с.ш. и между 103° и 110° в.д. Впадина озера окружена со всех сторон цепями гор, которые вплотную подходят к берегам, прерываясь лишь в местах впадения крупных притоков.

В число уникальных особенностей Байкала входят найденные в донных осадках (ДО) газовые гидраты, а также многочисленные пузырьковые (струйные) выходы газа из дна озера [9, 27, 29]. На сегодняшний день обнаружено более 100 мелководных струйных выходов газа на глубине, не превышающей глубину устойчивости газовых гидратов (380 м) [27], и более двух десятков глубоководных струйных выходов газа. Как правило, метановые разгрузки фиксируют тектонически ослабленные зоны и области дегазации над залежами углеводородов, в том числе метановых газогидратов [13, 27, 28], а также сопровождают генерацию биогенного метана в ДО. В последние годы в ряде публикаций обсуждается проблема увеличения содержания метана в воде глубоководных районов озера, одной из причин которого называют разложение газовых гидратов, вызванное снижением уровня озера и связанным с ним опусканием зоны их устойчивости [6].

Первые сведения по распределению концентраций метана в воде и ДО оз. Байкал получены при проведении экспедиционных исследований в летний период 1988 и 1994 гг. [20, 21]. Примерно в то же время были впервые изучены микробиологические процессы цикла метана в отложениях озера [4, 14]. На настоящий момент опубликован ряд работ, посвященных изучению распределения метана в воде и ДО озера [7, 8, 34, 35], однако они имеют эпизодический характер и, как правило, ограничены одним, реже двумя районами. Уже в ходе первых исследований было установлено, что, несмотря на относительно низкие значения температуры водной толщи и ее хорошую аэрацию, обусловливающую высокое содержание кислорода, процесс метаногенеза в ДО озера тем не менее протекает [14].

В данной работе, помимо обобщения ранее опубликованных материалов, рассматриваются результаты изучения распределения концентраций метана в воде и ДО оз. Байкал в ходе двух экспедиций, охвативших несколько районов озера. Актуальность работы обусловлена также и тем, что информация о том, как меняются концентрации метана в ДО южной части озера, позволит судить о восстановлении экосистемы озера [3, 22–24] после закрытия в 2013 г. проработавшего почти 50 лет Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК), влияние которого может сказываться еще долгие годы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В сентябре 2014 и 2015 гг., то есть спустя 20 лет с момента последней экспедиции [21], авторами проведены работы, в ходе которых в различных районах оз. Байкал были отобраны пробы воды и ДО для определения концентраций метана в ДО (рис. 1). Помимо метана, в 2015 г. в отобранных ДО проведено определение Сорг и гранулометрического состава для выявления их роли в пространственном распределении определяемых показателей.

 

Рис. 1. Картосхема расположения станций отбора проб, оз. Байкал.

 

Повышенное внимание было сосредоточено на северном районе озера, куда впадает большое количество рек, на зоне воздействия БЦБК, а также зоне впадения в озеро р. Селенги, сток которой составляет ~50% поступления в озеро речных вод. Отбор проб проводился с борта НИС “Персей” (Иркутское УГМС Росгидромета). На всех станциях воду отбирали батометром “Gidrobios” из поверхностного горизонта, за исключением глубоководных участков (станции 752 и 761, глубины 1400–1500 м), где в 2014 г. отбор проб воды проведен и в придонном слое. ДО (верхний горизонт до 6–7 см) отбирали дночерпателем Петерсена на глубинах от 14 до 250 м.

Отбор проб и последующее определение метана проводили согласно аттестованным методикам анализа [17, 18]. Анализ выполняли на газовом хроматографе “Хроматэк-Кристалл 5000.2” с дозатором равновесного пара на пламенно-ионизационном детекторе. Одновременно с отбором проб в заранее взвешенные и пронумерованные бюксы отбирали навеску ДО для определения массовой доли сухого осадка.

Содержание Сорг определялось методом мокрого «сжигания» (по Тюрину) – окислением органических веществ избытком бихромата калия в сильнокислой среде с последующим титрованием остатка солью Мора. Анализ гранулометрического состава ДО проводился на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц SALD-2300 (“Shimadzu”, Япония). Название литологических типов ДО дано в соответствии с номенклатурой В.Т. Фролова [25].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Концентрация метана в воде оз. Байкал в 2014 и 2015 гг. варьировала в пределах от <0.1 до 13.9 (в среднем 0.8) и от 0.2 до 4.5 (в среднем 0.7) мкл/ дм3; в ДО – от 0.03 до 3.69 (в среднем 0.66) и от <0.01 до 1.81 (в среднем 0.21) мкг/г сухого осадка (с.о.) соответственно (табл. 1).

 

Таблица 1. Концентрации метана в поверхностном слое воды и ДО в период проведения исследований 5–25 сентября 2014 г., в знаменателе – 3–20 сентября 2015 г.; в скобках – концентрации метана в придонном слое воды; прочерк – измерения не проводились)

№№ станций и их местоположение

Координаты, с.ш./в.д.

Глубина, м

СН4 в воде, мкл/дм3

СН4 в ДО, мкг/г с.о.

Цвет и литологический тип ДО

№№ станций и их местоположение

Координаты, с.ш./в.д.

Глубина, м

СН4 в воде, мкл/дм3

СН4 в ДО, мкг/г с.о.

Цвет и литологический тип ДО

Северный район оз. Байкал

ст. 401, 0.5 км от берега, район мыса Котельниковский

55°04′32.90″/

109°06′25.90″

130

-

0.3

-

<0.01

Коричнево-рыжий алеврит глинисто-песчанистый

ст. 402, 0.5 км от берега, район мыса Толстой

55°08′16.06″/

109°09′11.58″

180

-

-

<0.01

Серо-коричневый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 403, 0.5 км от устья правого рукава р. Рель

55°20′15.21″/

109°12′04.06″

180

-

0.7

-

0.03

Серо-голубой алеврит глинисто-песчанистый

ст. 404, 0.5 км от устья левого рукава р. Рель

55°21′15.24″/

109°12′27.28″

80

-

0.9

-

<0.01

Серый алеврит сильнопесчанистый

ст. 405, 1.0 км от устья левого рукава р. Рель

55°21′09.41″/

109°12′54.79″

115

-

-

0.64

* Серый алеврит сильнопесчанистый

ст. 406, 0.2 км от устья р. Слюдянка

55°30′47.80″/

109°12′37.50″

40

-

1.5

-

0.53

Коричневый песок сильноалевритистый

ст. 407, 0.6 км от устья р. Слюдянка

55°30′51.40″/

109°12′59.60″

155

-

-

0.07

Коричневый алеврит сильнопесчанистый

ст. 409, 1.5 км от устья р. Тыя

55°35′51.70″/

109°22′32.30″

210

-

2.0

-

0.14

* Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 410, 1.0 км от устья р. Чуна

55°42′20.40″/

109°29′23.40″

32

0.2

1.8

0.90

0.03

Коричневый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 412, 0.5 км от устья р. Кичера

55°46′00.18″/

109°37′03.40″

45

0.4

1.5

0.97

1.81

Черный песок сильноалевритистый

ст. 413, 1.0 км от устья р. Кичера

55°45′37.20″/

109°36′58.40″

155

-

-

0.39

Черный алеврит глинисто-песчанистый

ст. 414а, 0.5 км от устья р. Верхняя Ангара

55°41′59.90″/

109°51′59.90″

58

13.9

-

3.69

-

Темно-серый алеврит глинистый

ст. 414б, 1.0 км от устья р. Верхняя Ангара

55°41′38.70″/

109°51′48.00″

110

-

0.4

-

1.05

Коричневый алеврит глинистый

ст. 415, 0.5 км от устья р. Томпуда

55°07′05.70″/

109°43′59.90″

90

-

0.4

0.04

0.17

Серо-голубой алеврит сильнопесчанистый

ст. 416, 1.5 км от устья р. Горячий

55°21′52.50″/

109°46′55.10″

170

-

0.3

0.03

<0.01

Коричневый алеврит глинистый

ст. 417, 2.0 км от берега, район Дагарской губы

55°39′40.10″/

109°53′34.80″

35

-

0.4

-

<0.01

Коричневый песок слабоалевритистый

Глубоководный район оз. Байкал

ст. 752

51°43′32.90″/

105°03′31.00″

1400

<0.1 (1.1)

-

-

-

ст. 761

52°57′27.50″/

107°28′28.80″

1500

<0.1 (2.1)

-

-

-

Район впадения р. Селенги в оз. Байкал

ст. 1-3

52°10′00.00″/

106°06′00.00″

50

<0.1

-

0.03

-

* Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 2-2

52°10′26.28″/

106°09′38.46″

14

-

2.9

-

0.03

Коричневый алеврит сильнопесчанистый

ст. 2-3

52°11′27.10″/

106°07′24.10″

50

<0.1

-

2.69

-

* Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 3-2

52°12′30.72″/

106°08′58.70″

18

-

-

0.05

Коричневая песчано-алевритовая неотсортированная порода

ст. 3-3

52°13′08.28″/

106°06′37.50″

45

0.2

0.2

0.48

0.57

Коричневый алеврит глинистый

ст. 4-2

52°14′00.72″/

106°09′42.36″

20

-

0.8

-

0.09

* Серый алеврит глинистый

ст. 4-3

52°14′14.40″/

106°08′00.72″

45

-

1.85

0.83

Черно-коричневый алеврит глинистый

ст. 5-2

52°15′11.84″/

106°11′22.94″

19

-

0.78

0.17

* Серо-коричневый алеврит песчано-глинистый

ст. 6-2

52°16′54.60″/

106°11′56.16″

22

-

1.0

0.22

0.17

* Серо-зеленый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 7-2

52°18′51.39″/

106°13′27.43″

23

-

0.08

<0.01

* Серо-коричневый песок глинисто-алевритистый

ст. 8-2

52°20′30.60″/

106°15′41.50″

20

-

0.68

0.02

* Коричнево-зеленый песок слабоалевритистый

ст. 9-2

52°21′51.84″/

106°19′16.20″

18

-

-

0.02

Серо-коричневый песок сильноалевритистый

ст. 10-2

52°24′02.40″/

106°14′53.30″

20

2.5

4.5

0.03

0.04

Серо-коричневый песок слабоалевритистый

ст. 12-1

52°25′03.00″/

106°36′06.00″

20

-

0.08

0.04

Коричневый песок слабоалевритистый

Южный район оз. Байкал, зона влияния БЦБК

ст. 22

51°30′09.40″/

104°14′44.10″

22

-

0.4

-

Серо-коричневый песок алевритистый

ст. 23

51°30′34.13″/

104°15′05.74″

100

-

0.3

0.27

0.06

Серо-голубой плотный алеврит сильнопесчанистый

ст. 25

51°30′53.48″/

104°15′35.04″

210

-

0.3

-

1.24

Серо-коричневый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 31

51°30′51.12″/

104°14′02.35″

170

-

-

0.33

* Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 32

51°30′41.07″/

104°14′27.88″

90

-

-

<0.01

* Серый алеврит сильнопесчанистый

ст. 34

51°31′13.34″/

104°14′33.42″

235

200

-

0.3

0.15

0.03

Коричневый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 37

51°31′15.50″/

104°15′09.31″

247

-

-

0.34

Коричневый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 50

51°30′54.63″/

104°14′50.04″

190

-

-

0.58

* Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 52

51°30′04.08″/

104°15′09.60″

25

0.8

-

0.04

0.02

Серо-коричневый песок алевритистый

ст. 62

51°31′21.31″/

104°13′38.24″

170

-

-

0.19

* Серо-синий алеврит глинистый

ст. 63

51°31′22.56″/

104°14′15.11″

250

-

-

0.21

* Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 64

51°30′53.80″/

104°13′35.66″

150

135

-

0.6

0.21

0.06

Серо-голубой алеврит глинистый

ст. 65

51°30′59.57″/

104°13′10.28″

115

-

0.5

-

0.07

Серо-зеленый алеврит песчанистый

ст. 66

51°30′36.03″/

104°12′36.14″

20

-

-

0.02

Серо-коричневый алеврит сильнопесчанистый

ст. 67

51°30′28.62″/

104°12′52.68″

15

-

-

0.02

Серо-коричневый алеврит сильнопесчанистый

ст. 68

51°30′57.06″/

104°12′40.62″

90

1.2

-

0.16

0.02

Серо-голубой алеврит сильнопесчанистый

ст. 69

51°30′33.31″/

104°16′34.40″

200

-

0.47

0.11

* Серо-голубой алеврит песчано-глинистый

ст. 70а

51°29′41.16″/

104°16′04.32″

61

-

0.14

-

Темно-серый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 70б

51°29′45.89″/

104°16′07.28″

100

-

-

0.07

Серый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 71

51°30′42.63″/

104°15′51.65″

160

-

-

0.08

Серо-черный алеврит глинисто-песчанистый

ст. 77

51°30′56.30″/

104°16′47.03″

250

-

-

0.14

Серый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 78

51°31′07.66″/

104°16′05.16″

240

-

1.87

-

Серо-черный алеврит глинисто-песчанистый

ст. 79

51°29′46.81″/

104°16′35.82″

92

-

-

0.05

Серый алеврит сильнопесчанистый

ст. 80

51°29′54.41″/

104°17′11.64″

118

-

0.4

-

0.16

* Серый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 81

51°29′35.25″/

104°17′30.35″

62

-

-

0.02

Серо-коричневый песок алевритистый

ст. 82

51°31′48.60″/

104°11′15.31″

38

-

0.7

-

<0.01

Серо-коричневый песок сильноалевритистый

ст. 86

51°30′50.45″/

104°16′17.58″

250

-

0.4

-

0.88

Серо-синий алеврит глинисто-песчанистый

ст. 87

51°30′37.54″/

104°17′42.42″

215

-

-

0.50

Серо-голубой алеврит глинисто-песчанистый

ст. 89

51°30′15.46″/

104°17′22.58″

165

-

-

0.19

Серо-голубой алеврит глинисто-песчанистый

ст. 90

51°29′50.16″/

104°17′41.39″

115

-

0.3

-

<0.01

Серо-голубой песок сильноалевритистый

Южный район оз. Байкал, фоновые участки

ст. 101

51°36′38.40″/

103°54′43.60″

60

-

-

<0.01

Коричнево-черный алеврит сильнопесчанистый

ст. 102

51°36′25.60″/

103°55′40.30″

65

-

0.4

-

<0.01

Коричневый плотный алеврит сильнопесчанистый

ст. 103

51°37′18.40″/

103°55′00.20″

120

-

0.4

-

0.07

Серо-голубой алеврит песчанистый

ст. 104

51°37′02.35″/

103°55′56.96″

120

-

-

0.04

Серо-зеленый алеврит сильнопесчанистый

ст. 105

51°38′10.69″/

103°55′29.89″

175

-

-

0.05

Серый алеврит глинисто-песчанистый

ст. 106

51°37′49.01″/

103°56′29.20″

180

2.1

0.4

0.03

<0.01

Коричневый алеврит сильнопесчанистый

* Сверху – слой желтовато-серого наилка.

 

В период исследований, как и в предыдущие годы наблюдений [21, 24], максимальные концентрации метана в воде (1.5–13.9 мкл/дм3) и ДО (1.81–3.69 мкг/г с.о.) были характерны для северного района озера, куда впадают воды рек Верхняя Ангара и Кичера. Относительно высокие концентрации метана (1.85–2.69 мкг/г с.о.) определены также в ДО отдельных станций (2-3 и 4-3) профиля, проложенного вдоль устьевой зоны р. Селенги. Несмотря на то, что в 2014 г. при отборе проб на станции 2-3 в 5–15 м от корпуса судна наблюдались несколько серий линейного выхода газа, и в целом к зоне впадения р. Селенги приурочено > 90% всех мелководных струйных газовыделений в озере [27], концентрации метана в воде Селенгинского мелководья, за исключением станции 10-2, расположенной в зоне впадения протоки Кривая, были относительно низкими (<0.1–2.9 мкл/дм3) и сопоставимы с его концентрациями (<0.1–2.1 мкл/дм3) в поверхностных и придонных горизонтах воды открытых районов озера с глубинами от 1400 до 1500 м. По всей видимости, повышенные концентрации метана (2.5–4.5 мкл/дм3) в поверхностном слое воды отдельных станций (2-2 и 10-2) Селенгинского мелководья связаны с непосредственным влиянием стока р. Селенги, концентрация метана в воде которой, по данным [35], составляет 5–20 мкл/дм3.

Концентрации метана в воде и ДО большинства станций, расположенных в зоне влияния закрытого в 2013 г. Байкальского ЦБК, незначительно отличались от наблюдаемых в воде и ДО на фоновых участках – станции 101–106 (соответственно <2.1 мкл/дм3 и <0.07 мкг/г с.о.). Исключение – ДО ряда глубоководных станций 25, 50, 78, 86 (глубины 190–250 м), расположенных по направлению бывшего подводного сброса сточных вод БЦБК, а ныне – глубинного выпуска очищенных коммунальных стоков г. Байкальска с населением 15 тыс. человек, в которых концентрации метана в ДО значительно превышали “фоновые” (0.58–1.87 мкг/г с.о.).

Наблюдается отчетливая зависимость между распределением концентраций метана и гранулометрическим составом ДО (рис. 2а), что в целом характерно и для других водных объектов [1, 2, 22, 23]. При этом если с увеличением доли песчаной фракции (>0.05 мм) концентрация метана снижается, то с увеличением доли более тонкозернистых фракций (алевритовой и пелитовой размерности) его концентрация, наоборот, возрастает. Причем с пелитовой фракцией (<0.005 мм), доля которой не превышает 8.7% минеральной матрицы исследованных отложений, наблюдается менее тесная положительная связь, чем с фракцией алевритовой размерности (0.05–0.005 мм), доля которой в среднем на порядок больше. Описанная связь между распределением концентраций метана и гранулометрическим составом ДО выражается в том числе в увеличении концентраций изучаемого газа в направлении пески – алевриты сильнопесчанистые и песчанистые – алевриты глинисто-песчанистые и песчано-глинистые – алевриты глинистые (рис. 2б). В этом же направлении увеличивается и количество органического вещества, которое наряду с содержанием растворенного кислорода в придонном слое воды обычно является основным фактором, лимитирующим скорости процесса метаногенеза в ДО [2, 12, 24]. Сказанное подтверждается тесной прямолинейной зависимостью между концентрациями Сорг и метана (рис. 2в), наблюдаемой и на других водных объектах [2, 22, 23].

 

Рис. 2. Изменение концентраций метана в зависимости от гранулометрического состава (а) и литологических типов ДО (б), а также содержания Сорг (в) в ДО исследованных районов оз. Байкал (по данным 2015 г.). На рис. 2б приведены значения минимальных, средних и максимальных концентраций метана в различных литологических типах ДО.

 

Ряд станций, характеризующихся высокими концентрациями метана (станции 405, 406, 412 и 25), при относительно большой доле песчаных частиц и невысоком содержании Сорг существенно отклоняются от линий, аппроксимирующих все описанные зависимости. Поэтому при представлении зависимостей на рисунках 2а, 2в и при расчете коэффициентов корреляции эти станции не учитывались. Повышенные содержания метана, несмотря на относительно невысокие значения Сорг, могут быть обусловлены большей лабильностью органического вещества в ДО этих станций, приуроченных в основном к зонам впадения рек и сброса сточных вод БЦБК.

В табл. 2 приведен ряд имеющихся к настоящему моменту данных по концентрациям метана в воде и ДО оз. Байкал. Как видно из табл. 2, максимальные концентрации газа в воде и ДО приурочены к зоне впадения реки Фролихи в одноименную губу, расположенную в северной части озера, несколько меньшие – к зонам впадения рек Верхняя Ангара и Кичера. Это обусловлено накоплением органического вещества в таких зонах, что благоприятно для протекания метаногенеза [14, 21, 24].

 

Таблица 2. Обобщенные данные по концентрации метана в воде и ДО оз. Байкал (в числителе приведены пределы изменения, в знаменателе – средние значения, в скобках – количество измерений, прочерк – нет данных)

Район отбора проб

СН4 в ДО, мкл/дм3 влажного осадка

СН4 в воде, мкл/дм3

июль 1988 (по [21])

август 1994 (по [21, 24])

июнь–август 1991–2000 (по [8])

июль 2012 (по [15, 16])

сентябрь 2014 (данная работа)

сентябрь 2015 (данная работа)

август 1994 (по [21, 24])

июнь–август 1991–2000 (по [8])

август–сентябрь 2002–2004 (по [7, 34])

июль 2013 (по [10])

сентябрь 2014 (данная работа)

сентябрь 2015 (данная работа)

Северная котловина озера

Мелководная зона, глубина 0.5–200 м

<10–27600

3720 (9)

-

-

-

10–1536

607 (5)

<10–697

174 (15)

-

-

-

-

0.2–13.9

4.8 (3)

0.3–2.0

0.9 (11)

Губа Фролиха, глубина 22–690 м

-

-

6–81700

6008 (13)

-

-

-

-

0.3–41.0

15.1 (3)

-

-

-

-

Глубоководные участки

Центральная котловина озера, мыс Заворотный, глубина 825 м

-

-

8–1000

340 (3)

-

-

-

-

0–3.0

1.1 (7)

-

-

-

-

Центральная и Южная котловины, глубина 1400–1600 м

-

-

-

-

-

-

-

5.9 (1)

0.01–0.3

0.05 (23)

-

<0.1–2.1

0.9 (4)

-

Центральная и Южная котловины, над грязевыми вулканами К2 и Большой и нефтяным сипом Горевой Утес, глубина 830–1370 м

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0.09–1.0 (60)

-

-

Южная котловина озера

Зона впадения в озеро р. Селенги, глубина 25–50 м

-

-

-

-

14–1360

456 (10)

<10–371

110 (12)

-

-

-

-

<0.1–2.5

0.8 (4)

0.2–4.5

1.2 (5)

Посольская Банка:

Мелководная зона (51–111 м), горизонт 0–20 см

Глубоководная зона (500–850 м) – в 0–50 см от поверхности и в пределах 25 см над газогидратами

-

-

-

до 1028

2057–112000

-

-

-

-

-

-

-

-

Район БЦБК, глубина 15–250 м

50–9815

1014 (15)

<10–2150

390 (34)

-

-

54–620

215 (9)

<10–602

74 (33)

0.3–2.9

1.6 (21)

-

-

-

0.8–2.1

1.4 (3)

0.3–0.7

0.4 (13)

Район Хара-Муринской банки, глубина 15–200 м

-

46–1180

378 (9)

-

-

-

-

0.9–12.1

2.3 (10)

-

-

-

-

-

Над грязевым вулканом Маленьким и струйными газовыделениями на Селенгинском мелководье

-

-

-

-

-

-

-

-

1.3–2.3 (2)

-

-

-

 

Отдельно можно отметить аномально высокую концентрацию метана (112 мл/дм3) в ДО глубоководной зоны Южной котловины озера (станция “Посольская Банка”), зафиксированную в 50 см от поверхности дна, что связано с близким залеганием газовых гидратов [15]. В поверхностных горизонтах отложений данной станции концентрация метана заметно снижается и мало отличается от его содержания в ДО, расположенных вне зон нахождения газогидратов (табл. 2).

Минимальное содержание метана, нередко ниже значений, равновесных с атмосферой, характерно для глубоководных открытых районов озера (табл. 2). Причем, как показали исследования авторов, в глубоководных районах (1400–1500 м) концентрация метана заметно выше в придонных горизонтах воды (1.1–2.1 мкл/ дм3), чем в поверхностных слоях (<0.1 мкл/дм3). Это согласуется с исследованиями [10], в ходе которых на всех станциях в придонных областях (830–1370 м) выявлялись более высокие концентрации метана (0.19–1.0 мкл/ дм3), чем в поверхностном и промежуточных горизонтах до глубин 600–800 м, где его концентрации обычно ≤0.2 мкл/дм3. Исключение – поверхностные горизонты воды ряда станций, где наблюдались высокие концентрации метана (0.26–0.36 мкл/ дм3), связанные, по мнению авторов [10], с метанообразованием в анаэробных микронишах, формируемых в зоне повышенной биомассы диатомовых водорослей. Существование такого источника подтверждается многочисленными исследованиями (например, [26, 32]) и связано с тем, что внутри взвешенных в воде органоминеральных частиц, представленных в том числе остатками водорослей, возможно формирование анаэробных микрозон (микрониш) вследствие интенсивных процессов окисления органического вещества и перехвата кислорода уже на поверхности взвеси. Некоторую роль в образовании метана в высокоаэробных водах могут играть также процессы метаногенеза, протекающие в пищеварительном тракте и фекальных выделениях (пеллетах) зоопланктона [32]. В [26, 32] предполагают, что источник метаногенных архей во взвешенных частицах и фекальных пеллетах – пищеварительный тракт зоопланктона; в прибрежных районах возможно поступление их в воду при взмучивании ДО ветровыми перемешиваниями и течениями.

Установленный в настоящей работе и работе [10] характер распределения метана отличался от распределения метана, описанного в работе [35], согласно которому в глубоководных зонах озера наблюдалось снижение его концентраций от 0.2–0.3 мкл/дм3 в поверхностном слое до 0.01–0.02 мкл/дм3 в нижней части вертикального профиля с промежуточными значениями (0.05 мкл/ дм3) на глубине 200 м. Причиной более высоких концентраций метана в поверхностном слое, как показано выше, может быть его генерация в анаэробных микрозонах, образующихся во взвешенных в воде органоминеральных частицах.

Относительно невысокие концентрации метана – 0.09–2.3 мкл/дм3 (табл. 2) – наблюдаются непосредственно над грязевыми вулканами Маленький, К2, Большой и над нефтяным сипом Горевой Утес, расположенными в южной и средней частях озера, а также на участке струйных газовыделений в районе впадения р. Селенги (залив Провал). По всей видимости, метановая разгрузка в виде струйных газовыделений, фиксируемая в тектонически ослабленных зонах и областях дегазации над залежами углеводородов, в том числе газогидратов и грязевых вулканов [13, 27, 28], локально повышает концентрации метана в водной массе, окружающей газовую струю. Метан, поступивший в воду как в результате диффузии, так и в составе пузырьков, может частично или полностью раствориться и окислиться в глубинных горизонтах, не достигнув поверхности. Степень растворения газа в воде зависит главным образом от глубины и температуры воды, а для пузырькового переноса – и от мощности выделения со дна пузырьков газа и их размеров, а также уровня насыщенности метаном водной толщи [30]. С изменением этих факторов будет меняться и доля метана, достигающего поверхностных слоев воды. Считается, что для мелководных выходов пузырьков газа на глубинах <20 м почти весь выделяющийся метан достигает границы вода–атмосфера [33]. Для более глубоководных – порядка 50 м – выходов ≥50% газовых пузырьков, причем определенного размера (диметром ~10 мм), достигают поверхностных горизонтов; более мелкие пузырьки быстро растворяются, более крупные разбиваются на мелкие, после чего также растворяются [31]. Подводные струйные выходы газа на глубинах свыше 100–300 м практически не достигают поверхностных слоев воды [33], очевидно, как и метан, диффузионно выделяющийся в водную толщу из глубоководных отложений. Поэтому источником метана, содержащегося в поверхностных горизонтах в глубоководных районах озера, удаленных от устьев крупных рек, могут быть газы атмосферы или непосредственная его генерация в анаэробных микрозонах, образующихся во взвешенных в воде остатках отмерших организмов, а также в пищеварительном тракте и фекальных выделениях (пеллетах) зоопланктона [26, 32]. В первом случае концентрации метана в поверхностном горизонте воды будут минимальны, а во втором, наоборот, у поверхности воды или на некоторой глубине от нее будут наблюдаться повышенные его концентрации.

Генезис естественных газовых проявлений на юго-восточном побережье оз. Байкал (устье р. Селенги, зал. Провал и на берегу озера вблизи деревни Сухая) впервые исследован в работе [19]. В результате установлено, что метан этих газовых выходов по происхождению может быть как биохимическим (δ13С метана варьирует в пределах –61.9… –61.0‰), образуемым на начальном этапе преобразования органического вещества, так и термогенным (δ13С – –53.2…– 41.0‰), поступающим из трещин гранитного массива и палеоген-неогеновых отложений. Изучение изотопного состава углерода метана, выделяющегося из ДО в районе мыса Грязевый Утес [11], также показало его термогенный генезис (–44.2…–43.7‰), в то время как метан ДО в районе БЦБК отнесен к метану, образованному в результате современных биохимических процессов (δ13С – –75.0… –65.0‰). Таким образом, метан в воде и ДО оз. Байкал имеет смешанный генезис [20]. В районах озера, где по разломам и оперяющим их трещинам и жерлам грязевых вулканов происходит эманация метана, он имеет преимущественно термогенное происхождение, вне зоны их влияния в верхних горизонтах отложений – биогенное. Влияние биогенного в воде и ДО озера особенно ярко проявляется в зонах выноса органического вещества реками и на участках, подверженных воздействию сточных вод.

Концентрации метана в воде оз. Байкал характеризуются одними из самых низких значений по сравнению с другими озерами [24], что обусловлено хорошей аэрацией озера, предопределяющей высокие содержания растворенного в воде кислорода даже в придонных слоях воды (>85% насыщения), а также олиготрофным статусом большинства его районов [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В период исследований – в 2014 и 2015 гг., как и в предыдущие годы наблюдений, максимальные концентрации метана в воде и ДО оз. Байкал были характерны для северного района озера, куда впадают реки Верхняя Ангара, Кичера, отдельных станций профиля, проложенного вдоль устьевой зоны р. Селенги, а также станций, расположенных в зоне подводного выпуска сточных вод г. Байкальска и БЦБК, закрытого в 2013 г. Это связано с активным поступлением органического вещества в водную толщу и ДО таких зон, и его последующим разложением до субстратов (H2, СО2, ацетат и др.), используемых метаногенными археями как в ДО, так и в анаэробных микронишах, формируемых во взвешенных в воде органоминеральных частицах. Последнее, наряду с непосредственным поступлением метана в составе речного стока, вероятно, и обусловливает появление высоких концентраций метана в поверхностных слоях воды мелководных участков, расположенных в зоне впадения рек, а также периодическое выявление высоких концентраций газа в глубоководных районах озера в слоях воды с повышенной биомассой фито- и зоопланктона.

Приуроченность повышенных концентраций метана к районам антропогенного давления и зонам впадения крупных рек и его тесная связь с концентрациями Сорг в донных отложениях свидетельствуют о преобладании в водной толще и ДО исследованных участков метана современного бактериального происхождения. Существование повышенных или пониженных концентраций метана в изученных верхних горизонтах ДО оз. Байкал наряду с различиями в мощности антропогенного влияния обусловлено изменчивостью условий осадконакопления (глубина, скорость течения, волновое воздействие), определяющих гранулометрический состав и содержание органического вещества и, как следствие, окислительно-восстановительные условия и интенсивность метаногенеза.

Благодарности

Авторы благодарят С.А. Резникова (Гидрохимический институт Росгидромета) за любезно предоставленные данные анализов содержания Сорг и гранулометрического состава ДО.

Примечание:

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (проект № 5.5791.2017/6.7) и ЮФУ (внутренний грант № 5.5795.2017/8.9).

D. N. Garkusha

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: gardim1@yandex.ru

Russian Federation, 344090 Rostov-on-Don

Yu. A. Fedorov

Southern Federal University

Email: gardim1@yandex.ru

Russian Federation, 344090 Rostov-on-Don

N. S. Tambieva

Hydrochemical Institute

Email: gardim1@yandex.ru

Russian Federation, 344090 Rostov-on-Don

Yu. A. Andreev

Hydrochemical Institute

Email: gardim1@yandex.ru

Russian Federation, 344090 Rostov-on-Don

O. A. Mikhaylenko

Hydrochemical Institute

Email: gardim1@yandex.ru

Russian Federation, 344090 Rostov-on-Don

  1. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в воде и донных отложениях устьевой области Северной Двины в зимний период // Океанология. 2014. Т. 54. № 2. С. 178-188.
  2. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в устьевой области реки Дон. Ростов-на-Дону; М.: Ростиздат, 2010. 181 с.
  3. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Метан как индикатор условий раннего диагенеза и экологического состояния водных экосистем // Изв. Вузов. Северо-Кавказский регион. Сер. естественные науки. 2013. № 6. С. 78-82.
  4. Геодекян А.А., Авилов В.И., Авилова С.Д. Геоэкологические исследования Байкала // ДАН СССР. 1990. Т. 310. № 6. С. 1442-1446.
  5. Государственные доклады “О состоянии озера Байкал и мерах по его охране в 2003, 2004, …, 2014 гг.” Иркутск: Сибирский фил. Росгеолфонда, 2004, 2005, …, 2015.
  6. Гранин Н.Г., Верещагина О.Ф., Козлов В.В., Обжиров А.И., Макаров М.М., Гнатовский Р.Ю., Иванов В.Г., Блинов В.В., Мизандронцев И.Б. Изменение концентрации метана в озере Байкал: возможная причина // Тез. докл. всерос. конф. “Газовые гидраты в экосистеме Земли, 2014”. Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2014. С. 25.
  7. Гранин Н.Г., Мизандронцев И.Б., Обжиров А.И., Верещагина О.Ф., Гнатовский Р.Ю., Жданов А.А. Окисление метана в водной толще озера Байкал // ДАН. 2013. Т. 451. № 3. С. 332-335.
  8. Дагурова О.П., Намсараев Б.Б., Козырева Л.П., Земская Т.И., Дулов Л.Е. Бактериальные процессы цикла метана в донных осадках озера Байкал // Микробиология. 2004. Т. 73. № 2. С. 248-257.
  9. Жижченко Б.П. Углеводородные газы. М.: Недра, 1984. 112 с.
  10. Захаренко А.С., Пименов Н.В., Иванов В.Г., Земская Т.И. Окисление метана в водной толще районов газо- и нефтепроявлений Среднего и Южного Байкала // Микробиология. 2015. Т. 84. № 1. С. 98-106.
  11. Калмычков Г.В., Егоров А.В., Кузьмин М.И., Хлыстов О.М. Генетические типы метана озера Байкал // ДАН. 2006. Т. 411. № 5. С. 672-675.
  12. Кузнецов С.И., Саралов A.E., Назина T.Н. Микробиологические процессы круговорота углерода и азота в озерах. М.: Наука, 1985. 213 с.
  13. Кузьмин M.M., Калмычков Г.В., Гелетий В.Ф., Гнилуиш В.А., Горегляд А.В., Хахаев Б.Н., Певзнер Л.А., Каваи Л., Иошида Н., Лучков А.Д., Пономарчук В.А., Конторович А.Э., Бажин Н.М., Махов Г.А., Дядин Ю.А., Кузнецов Ф.А., Ларионов Э.Г., Манаков А.Ю., Смоляков Б.С., Манделъбаум М.М., Железняков Н.К. Первая находка газогидратов в осадочной толще озера Байкал // ДАН. 1998. Т. 362. № 4. С. 541-543.
  14. Намсараев Б.Б., Дулов Л.Е., Соколова Е.Н., Земская Т.И. Бактериальное образование метана в донных осадках озера Байкал // Микробиология. 1995. Т. 64. № 3. С. 411-417.
  15. Павлова О.Н., Букин С.В., Ломакина А.В., Калмычков Г.В., Иванов В.Г., Морозов И.В., Погодаева Т.В., Пименов Н.В., Земская Т.И. Образование углеводородных газов микробным сообществом донных осадков озера Байкал // Микробиология. 2014. Т. 83. № 6. С. 694-702.
  16. Пименов Н.В., Захарова Е.Е., Брюханов А.Л., Корнеева В.А., Кузнецов Б.Б., Турова Т.П., Погодаева Т.В., Калмычков Г.В., Земская Т.И. Активность и структура сообщества сульфатредуцирующих бактерий в осадках Южной котловины оз. Байкал // Микробиология. 2014. Т. 83. № 2. С. 180-190.
  17. РД 52.24.511-2013. Массовая доля метана в донных отложениях. Методика измерений газохроматографическим методом с использованием анализа равновесного пара. Ростов-на-Дону: Гидрохим. ин-т, 2013. 19 с.
  18. РД 52.24.512-2012. Объемная концентрация метана в водах. Методика измерений газохроматографическим методом с использованием анализа равновесного пара. Ростов-на-Дону: Гидрохим. ин-т, 2012. 23 с.
  19. Самсонов В.В. Происхождение байкальской нефти и проблемы нефтегазоносности Бурятии // Проблемы сибирской нефти. Новосибирск: СО АН СССР, 1963. С. 127-150.
  20. Федоров Ю.А. Стабильные изотопы и эволюция гидросферы. М.: Центр “Истина”, 1999. 370 с.
  21. Федоров Ю.А., Никаноров А.М., Тамбиева Н.С. Первые данные о распределении содержания биогенного метана в воде и донных отложениях оз. Байкал // ДАН. 1997. Т. 353. № 3. С. 394-397.
  22. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Образование и распределение метана в воде и донных отложениях, загрязненных стоками целлюлозно-бумажного производства (на примере Ладожского озера) // Метеорология и гидрология. 2000. № 7. С. 49-61.
  23. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. Метан как показатель экологического состояния пресноводных водоемов (на примере озер Валдай и Ужин) // Метеорология и гидрология. 2004. № 6. С. 88-96.
  24. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в водных экосистемах. Ростов-на-Дону; М.: Ростиздат, 2007. 330 с.
  25. Япаскурт О.В. Литология: учебник для студентов ВУЗов. М.: Академия, 2008. 336 с.
  26. Bianchi M., Marty D., Teyssie J.-L., Fowler S.W. Strictly aerobic and anaerobic bacteria associated with sinking particulate matter and zooplankton fecal pellets // Marine ecol. progress ser. 1992. V. 88. P. 55-60.
  27. Granin N.G., Makarov M.M., Kucher K.M., Gnatovsky R.Y. Gas seeps in Lake Baikal - detection, distribution, and implications for water column mixing // Geo-Marine Lett. 2010. V. 30(3, 4). P. 399-409.
  28. Kadnikov V.V., Mardanov A.V., Beletsky A.V., Shubenkova O.V., Pogodaeva T.V., Zemskaya T.I., Ravin N.V., Skryabin K.G. Microbial community structure in methane hydrate-bearing sediments of freshwater Lake Baikal // Federation of European Microbiol. Soc. Microbiol. Ecol. 2012. V. 79. P. 348-358.
  29. Khlystov О., De Batist М., Shoji Н., Hachikubo А., Nishio S., Naudts L., Poort J., Khabuev A., Belousov O., Manakov A., Kalmychkov G. Gas hydrate of Lake Baikal: Discovery and varieties // Asian Earth Sci. 2013. V. 62. № 1. P. 162-166.
  30. Leifer I., Boles J.R., Luyendyk B.P., Clark J.F. Transient discharges from marine hydrocarbon seeps: spatial and temporal variability // Environ. Geol. 2004. V. 46(8). Р. 1038-1052.
  31. MacDonald I.R., Leifer I., Sassen R., Stine P., Mitchell R., Guinasso N. Transfer of hydrocarbons from natural seeps to the water column and atmosphere // Geofluids. 2002. V. 2(2). Р. 95-107.
  32. Marty D.G. Methanogenic bacteria in seawater // Limnol. Oceanogr. 1993. V. 38(2). Р. 452-456.
  33. Schmale O., Greinert J., Rehder G. Methane emission from high-intensity marine gas seeps in the Black Sea into the atmosphere // Geoph. Res. Lett. 2005. V. 32(7): L07609.
  34. Schmid М., De Batist М., Granin N.G., Kapitanov V.A., McGinnis D.F., Mizandrontsev I.В., Obzhirov A.I., Wüest A. Sources and sinks of methane in Lake Baikal: A synthesis of measurements and modeling // Limnol. Oceanogr. 2007. V. 52. № 5. P. 1824-1837.
  35. Zemskaya T., Egorov A., Khlystov O., Shubenkova O., Namsaraev B., Chernitsina S., Dagurova O., Kalmychkov G., Grachev M. Biogeochemical cycles of methane in Lake Baikal // Geoph. Res. Abstr. 2005. V. 7. 03994.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1. Fig. 1. Map of the location of sampling stations, Lake Baikal. View (170KB) Indexing metadata
2. Fig. 2. Change in methane concentrations depending on the particle size distribution (a) and lithological types of BS (b), as well as the content of Corg (c) in BS of the studied areas of Lake. Baikal (according to 2015). In fig. 2b shows the values of the minimum, average, and maximum concentrations of methane in various lithological types of BS. View (197KB) Indexing metadata

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 31

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies