Methane in water and bottom sediments of lake Baikal

Full Text

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 С_орг 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 С_орг 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 С_орг 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 С_орг 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 С_орг, 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 С_орг 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 С_орг 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).

About the authors

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

References

Supplementary files