Метан – участник процесса глобального потепления климата

А.И. Обжиров Альбом: Океанологи, робототехники

Международная научная экспедиция в Охотское море (рейс № 56) на научно-исследовательском судне «Академик М.А.Лаврентьев» проходила с 9-го по 28 августа 2011 года. Она была организована отделом геологии и геофизики Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН при участии Центра по изучению газогидратов Технологического института (г. Китами, Япония), Института полярных исследований (КОПРИ, Республика Корея) и Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН, Москва) для продолжения комплексных геологических, геофизических, газогеохимических, гидроакустических и гидрологических исследований в рамках международного проекта «САХАЛИН» (Sakhalin Slope Gas Hydrate Project, 2007-2012). Экспедиция выполнялась согласно План-программе ТОИ ДВО РАН.

Начальник экспедиции доктор геолого-минералогических наук, профессор Анатолий Иванович ОБЖИРОВ, заведующий лабораторией газогеохимии, заведующий отделом геологии и геофизики ТОИ ДВО РАН любезно согласился ответить на наши вопросы.

– Анатолий Иванович, какова основная цель этой экспедиции?

– Детальное исследование и опробование новых участков Сахалинского восточного склона Охотского моря для поисков новых площадей газовых гидратов, изучения процессов их формирования и разрушения, обнаружения новых выходов пузырей метана из донных отложений в воду и из воды в атмосферу. Эти исследования в Дальневосточных морях являются приоритетными как для поисков углеводородного сырья, так и изучения процессов глобального изменения (потепления) климата.

Особое внимание в плане прошедшей экспедиции было уделено обнаружению газогидратов на Южной площади района 1 (рис.1).

– Расскажите об основных задачах экспедиции.

– Это поиск донных флюидных и газовых источников на Сахалинском восточном склоне Охотского моря, изучение миграции природных газов (метана и других) из донных отложений в воду и из воды в атмосферу, выяснение влияния этого процесса на состояние и эволюцию гидрохимических, гидрологических, биологических и других характеристик Охотского моря, а также – на общее климатическое и экологическое состояние региона. Кроме того, – оценка мощности подводных газовых источников и ее временной изменчивости. Поиски газовых гидратов и выявление границ газогидратоносной толщи. Изучение морфоструктуры и рельефа поверхности дна, а также строения верхней части осадочного разреза. И, наконец, – расчет вклада метана, как участника процесса глобального потепления климата, в бюджет атмосферы; мониторинг потоков метана и его аномальных полей.

– Анатолий Иванович, вы – начальник экспедиции, а каков состав экспедиции?

– Общая численность научного состава экспедиции – 27 человек, включая 19 сотрудников ТОИ ДВО РАН (Владивосток), одного сотрудника Института океанологии РАН (Москва), пять сотрудников из Технологического института (г. Китами, Япония) и два сотрудника из института КОПРИ (г. Сеул, Корея).

Научный состав экспедиции разделялся на шесть отрядов: отряд газогеохимии (шесть человек), начальник отряда – Ольга Федоровна Верещагина (ТОИ); отряд донного опробования (три человека), начальник отряда – доктор геолого-минералогических наук Александр Никитович Деркачев (ТОИ); навигационно-гидрографический отряд (два человека), начальник отряда – заведующий лабораторией ИО РАН кандидат геолого-минералогических наук Борис Викторович Баранов; гидроакустический отряд (два человека), начальник отряда – кандидат физико-математических наук Александр Сергеевич Саломатин; отряд зондирования СТД (два человека), начальник отряда – кандидат географических наук Александр Алексеевич Карнаухов; отряд сейсмического профилирования (два человека), начальник отряда – кандидат геолого-минералогических наук Владимир Германович Прокудин.

Иностранные участники приписывались к названным отрядам. У меня было два заместителя: по науке – Наталья Алексеевна Николаева и по техническому обеспечению – Геннадий Алексеевич Крайников.

– Какие исследования выполнялись учеными в этой экспедиции?

– В рейсе выполнялись батиметрические, гидроакустические, гидрологические (СТД), газогеохимические, литологические исследования и проводилось высокочастотное сейсмическое профилирование (спаркер).

– Если можно, расскажите, пожалуйста, подробнее.

– Конечно, можно. Начну с батиметрических исследований. Основные батиметрические измерения выполнялись на площади трех районов. Выделялись возвышенные участки, которые были сопряжены с потоками пузырей метана. Именно в этих структурах в экспедиции 2010 года и в этой экспедиции в верхних слоях донных осадков были обнаружены газогидраты. Большой объем батиметрических работ был выполнен на площади в районе 3. Структуры, схожие со структурами района 1 были зафиксированы только на глубинах шельфа – 180-250 м. На этих глубинах газогидраты не образуются. В районе юго-восточнее залива Терпения были обнаружены три потока пузырей метана на возвышенных структурах, которые возможно сопряжены с газогидратами. Отбор проб донных осадков в этих районах планируется в следующей экспедиции 2012 года по проекту «САХАЛИН».

Гидроакустические исследования

Гидроакустические наблюдения выполнялись на всем пути движения судна. Благодаря специально настроенной аппаратуре эхолокации на частоте 12.5 КГц выходы пузырей метана хорошо просматривались на эхограмме. Они выглядели в виде конусообразных звукорассеивающих тел диаметром у дна около 100 м и высотой 200-300 м. Один из них был высотой 600 м, пузыри метана почти достигали водной поверхности (рис. 2). В экспедиции в районе 1 было зафиксировано 91 пересечение потоков пузырей метана и в районе 3 – пять пересечений. В районе 2 потоков пузырей метана обнаружено не было. Пробы керна донных осадков и колонок воды брались в центре потоков пузырей метана и на вершинках, сопряженных с потоками метана.

Высокочастотное сейсмическое профилирование (спаркер)

Высокочастотное сейсмическое профилирование позволяет определить слоистость верхней части донных осадков (от поверхности дна на глубину около 100 м) и иногда определить границу подошвы газогидратсодержащей толщи. Кроме того, благодаря профилированию определялись структуры с вертикальными стволами потери отражений, что в основном характеризует наличие потоков метана. Эти данные сопоставлялись с результатами батиметрии и гидроакустики и выбирались площади для отбора проб керна донных осадков и колонок воды на поиск газогидратов, измерения газовой составляющей и других характеристик. Благодаря этому комплексу исследований – батиметрия, гидроакустика, спаркер, удалось обнаружить структуры, на которых в верхних слоях донных осадков на новой площади в районе 1 Сахалинского восточного склона Охотского моря открыты газогидраты.

Литологические и гидрологические исследования

Выполнено 22 литологических станции с отбором проб керна донных осадков и 27 гидрологических станций с отбором проб воды на разных горизонтах и непрерывным измерением температуры, и солености толщи воды. 17 станций литологических и 24 гидрологических выполнено в районе 1, а так же пять литологических и три гидрологических станций выполнено в районе 3. Описывалась литологическая характеристика донного осадка, брались пробы на отжим поровых вод и на содержание и состав газа.

После подъема трубки на борт судна в этом же районе начиналось зондирование СТД с отбором проб воды батометрами. Отбирались пробы у дна и до поверхности. Кроме того, в районе геофизических исследований отбирались пробы воды на поверхности через проточную систему для измерения газа на поверхности и расчета поступления метана в атмосферу.

Газогеохимические исследования

В результате извлечения газа из керна осадков и из воды и его анализа на хроматографе получены следующие результаты:

Обнаружена аномальная концентрация метана в керне донных осадков, которые были отобраны в районе потока пузырей метана. Концентрация метана в них превышает фон в десять тысяч раз. Кроме метана в газе в небольших количествах присутствовали этан, пропан и углекислый газ.

На станции LV56-03 в донных осадках на глубине около 2 м от дна были обнаружены слои газогидратов. Мощность газогидратсодержащей толщи составляла почти 1 м. Мощность слоев газогидратов была от 0.5 до 2.0 см. Общее количество газогидратов в толще не превышало 20%.

На юге района работ 1 была обнаружена площадь с загазованным участком донных осадков. Причем был обнаружен феномен – когда из осадка поднималась трубка, то из отверстия трубки вырвался поток пузырей метана, который хорошо был прослежен в гидроакустическом поле. В этом же районе на одной из станций в донных осадках были обнаружены наногидраты – микрокристаллы гидратов, которые в лабораторных условиях с треском разрушаются, превращаясь в микропузыри метана и воду (рис.3).

В придонном слое воды в районе потоков пузырей метана концентрация метана превышает фон в 100 и более раз. При приближении к поверхности концентрация метана в воде снижалась почти до фоновой, а на поверхности она несколько увеличивалась. В районе исследований 1 был обнаружен гидрологический феномен. На глубине 150 – 300 м присутствовал промежуточный слой воды с очень низкой температурой – 0.5°С – 1.8°С и очень высокой аномалией метана. Концентрация метана в этом слое превышала фоновую в 1000 раз (рис. 4).

– Как соотносятся результаты исследований нынешней экспедиции с предыдущими?

– В экспедиции 2009 года (рейс № 47), по этому же проекту – «САХАЛИН», нами было обнаружено около 500 новых потоков пузырей метана из донных отложений в воду, в керне донных осадков были зафиксированы признаки наличия газогидратов (карбонатные конкреции, бентосные ракушки, микрокристаллы газогидратов), но слоев газогидратов обнаружено не было. В экспедиции 2010 года (рейс 50) были выполнены исследования в районе перечисленных выше признаков наличия газогидратов. И, действительно, в этом районе мы нашли сначала наногидраты, потом микрогидраты и, наконец, на трех новых участках – слои газогидратов. Как показали исследования в предыдущих экспедициях (1998-2010 годов), потоки пузырей метана связаны с изменениями сейсмотектонической активности региона и они оказывают влияние на окружающую среду. Поэтому в нынешней экспедиции также оценивалось количество метана, поступающего из донных отложений в воду и из воды в атмосферу в виде потоков пузырей, которые хорошо фиксируются на эхограммах. Эти данные – важный критерий для понимания процессов глобального изменения климата.

В заключение хочу поблагодарить экипаж и научный состав, которые работали слажено и отлично, как единый научный организм (рис.5).

Альбом: Океанологи, робототехники