Сейчас в Арктике:
Арктическая зима

Метановый выдох подводной мерзлоты

Метановый выдох подводной мерзлоты
21 Февраля, 2020, 11:51
Комментарии
Поделиться в соцсетях

Метановый «выдох» подводной мерзлоты. Фото Б.Буханова, Сколтех (октябрь, 2019)



То, что климат на планете меняется, сегодня очевидно для всех. И меняется он прямо-таки на наших глазах. Конечно, мы понимаем, что это часть очередного климатического цикла, которых было уже немало на протяжении истории планеты. Но с тех пор, как на Земле появился человек, климатические колебания оказывают непосредственное влияние не только на природу и на нас как один из биологических видов, но и на человечество как социальное явление. Поэтому об изменении климата на планете в целом и в отдельных её частях мы можем сегодня судить как по летописи геологических толщ, так и по документам человеческой истории (летописным документам, устным преданиям, археологическим свидетельствам). Но при этом регулярные метеонаблюдения начали осуществляться лишь немногим более ста лет. Так вот, по этим, уже весьма точным данным, минувшее десятилетие, и особенно последние пять лет стали самыми тёплыми за всю историю метеонаблюдений. 

Сегодня везде активно обсуждается, какой вклад в этот процесс вносит всё более активная хозяйственная деятельность человека. И если отбросить политический и экономический аспекты борьбы разных стран за чистоту воздуха в виде ограничения выбросов СО2 и квотирования этого процесса, то остаётся вопрос, так ли уж сильно парниковый эффект зависит от нас? Или существуют другие, неподвластные нам источники выбросов газа? А здесь важно понять и помнить, что помимо антропогенного СО2, ежегодно в атмосферу поступает большое количество метана (СН4). Метан является следующим по концентрации, после двуокиси углерода, парниковым газом, однако его вклад в парниковый эффект в пересчёте на одну молекулу газа, по оценкам учёных, в несколько раз выше, чем от СО2. Дело в том, что метан во много раз сильнее СО2 с точки зрения непропускания инфракрасного (теплового) излучения Земли. В настоящее время, по оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) при ООН, вклад метана в парниковый эффект составляет около 30 % от вклада СО2.


  Континентальный шельф занимает большую часть Северного Ледовитого океана

Мониторинг атмосферного воздуха в Арктическом регионе, который находится вдали от районов активной деятельности человека, показывает существование здесь круглогодичного Арктического максимума эмиссии метана – кстати, самого большого на планете. И этот максимум нельзя объяснить ни привычным антропогенным фактором, ни сезонными выделениями метана из наземных северных экосистем, например, с поверхности водоёмов (озёр и болот) или из сезонно-талого слоя мерзлоты.

Одним из источников поступления метана в атмосферу, на который обратили внимание лишь в последние десятилетия, является деградирующая в результате климатических изменений подводная мерзлота, большая часть которой приходится на северное полушарие. При этом, по мнению учёных, занимающихся данным вопросом, на долю шельфа морей российской Восточной Арктики (море Лаптевых, Восточно-Сибирское море и российская часть Чукотского моря), которая для США и Канады является Западной Арктикой, приходится более 80% подводной мерзлоты всего Северного Ледовитого океана. Это самый широкий и мелководный шельф Мирового океана, подводная мерзлота которого долгое время сохраняла стабильность гигантских скоплений гидратов метана (СН4), образовавшихся в верхних слоях литосферы на предыдущем витке геологической истории. 

Напомним, что газовые гидраты, являющиеся льдоподобными образованиями, содержат в одном объёме своей клатратной структуры до 160-180 объёмов свободного газа и могут существовать только при определённом соотношении температуры и давления, но будут разлагаться с разной скоростью и интенсивностью при изменении любого из этих параметров. По приблизительным оценкам, при разложении газогидратных скоплений арктического шельфа в атмосферу может выделиться количество свободного газа, на порядки превышающее общее количество метана в атмосфере. Поэтому деградация подводной мерзлоты сегодня – это и геологический факт, и геологический фактор.
 


Сопоставление объёмов метановых выбросов на шельфе морей Восточной Арктики с объёмами, выделяемыми водами остального Мирового океана. Иллюстрация отсюда


Исходя из самых общих представлений, можно заключить, что увеличение эмиссии метана из морей Восточной Арктики в атмосферу будет зависеть от того, с какой скоростью и в каком масштабе станет деградировать подводная мерзлота. Как показали недавние исследования российских учёных, в настоящее время температура подводной мерзлоты близка к среднегодовой температуре придонной воды, которая колеблется в пределах от -0.5 до – 1.8 градусов Цельсия в различных районах морей Восточной Арктики. В это же время температура в поверхностных частях мощных толщ наземной мерзлоты на побережье этих же морей на 8-10 градусов ниже, чем температура подводной мерзлоты, и может достигать температуры -10оС и ниже. То есть когда мы слышим о деградации мерзлоты вообще, мы должны для себя чётко понимать, о какой именно мерзлоте идёт речь, и разделять многолетнемёрзлые породы на суше и на шельфе. 

Новосибирские острова

Таяние вечной мерзлоты на Новосибирских островах. Автор фото Андриан Колотилин, GeoPhoto.ru


Мощные наземные толщи являются огромным резервуаром холода, который способен долгое время гасить колебания температуры атмосферного воздуха, чего нельзя сказать о современном состоянии субаквальных (подводных) мёрзлых толщ. По данным, полученным российскими учёными в результате повторного бурения на месте четырёх скважин 1982-1983 годов на арктическом шельфе в районе моря Лаптевых, за последние 30 лет верхняя граница мерзлоты опустилась более чем на пять метров.

По последним данным, концентрация метана в атмосфере в настоящее время пока в двести раз меньше, чем углекислого газа. Однако «метановый потенциал» шельфа арктических морей, к которому можно отнести скопления гидратов метана и свободный газ в изолированных газовых ловушках, примерно на два порядка, как мы уже отметили, превышает общее количество СН4 в современной атмосфере, составляющее сегодня около двух частей на миллион (1.8 ppm). И, следовательно, можно предполагать, что при прогрессирующей деградации подводной мерзлоты будут происходить массированные выбросы СН4 из донных отложений, что повлечёт за собой значительное увеличение содержания метана в атмосфере не только Северного полушария, но и планеты в целом. При этом возникает своего рода замкнутый круг (или система с обратной положительной связью): в результате выбросов метана повышается температура, а это ведёт к ещё большим выбросам метана.

Эмиссия метана на шельфе морей Восточной Арктики при деградации субаквальной (подводной) мерзлоты может происходить за счёт:

- выделения газообразного метана из разлагающихся внутримерзлотных и подмерзлотных залежей газовых гидратов;

- эмиссии свободного метана, существующего в виде газообразных включений в толще многолетней мерзлоты (по мере её протаивания), а также появившегося в результате активизации метанообразования в оттаявшем органическом материале;

- поступления эндогенного метана по глубинным разломам из недр Земли и сквозным таликовым зонам в мерзлоте.


Из-за изменения климата каждое лето теряется больше морского льда, чем пополняется зимой. Фото Associated Press (Давид Голдман).


Игорь Семилетов, руководитель Международной лаборатории исследований углерода арктических морей при Томском политехническом университете, заведующий лаборатории арктических исследований Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, давно занимается изучением подводной мерзлоты и в своих статьях образно называет это явление «метановой бомбой» с часовым механизмом, объясняя, что часы уже тикают, но неизвестно, взорвётся ли бомба, и если да, то когда именно. Ответа на это вопрос пока нет, поэтому многие страны, обеспокоенные климатическими изменениями, и даже те, чьи территории не относятся к арктическим, выделяют значительные средства на изучение феномена метановых выбросов на арктическом шельфе, большая часть которого, как мы уже отмечали, всё же принадлежит России. И мы не должны потерять приоритет в этой области исследований.

Но вернёмся снова к подводной мерзлоте. Знания о ней появились относительно недавно и пока весьма фрагментарны, по сравнению с мерзлотой материковой. Первые свидетельства о том, что под водой на морском дне может существовать мёрзлая порода, получены в самом начале ХХ века благодаря организации российской Императорской Академией наук знаменитых полярных экспедиций. И хотя тогда, несмотря на все усилия и жертвы, цель экспедиции барона Э.В. Толля по поиску легендарной Земли Санникова достигнута не была, были собраны многочисленные научные данные и сделаны открытия, которые не потеряли значения и сегодня, в том числе на мелководном шельфе была обнаружена вечная мерзлота, о существовании которой никто на тот момент не подозревал. Участники экспедиций сообщали, что, когда они в шторм пытались бросать якорь, лапы якоря никак не могли зацепиться за грунт, вырывая куски мёрзлых пород.

За прошедшее с того времени столетие сложилось устойчивое мнение, что подводная мерзлота на Арктическом шельфе не только широко распространена в виде сплошной толщи мёрзлых пород, но и находится в достаточно стабильном состоянии. Когда-то, в конце плейстоцена, более пятнадцати тысяч лет назад, современный шельф Арктических морей был частью древней сибирской тундры. В результате таяния льдов в конце ледникового периода и трансгрессии моря в голоцене, северные районы палеотундры погрузились под воду, образовав сегодняшний континентальный шельф. Принято было считать, что мёрзлая толща, оказавшаяся под слоем воды, как и наземная мерзлота, надёжно консервирует не только возникшие в её недрах на разных этапах геологической истории скопления свободного газа и залежи газовых гидратов, но и экранирует гидросферу и атмосферу от проникновения глубинных газов из недр Земли.

Однако исследования, проводимые в конце ХХ и начале XXI века, показали, что это не совсем так. Обнаруженные на арктическом шельфе выбросы метана привели учёных к мысли о том, что подводная мерзлота может быть «дырявой» и походить больше на решето, чем на непрерывную толщу. Причиной этого является как постепенное повышение температуры подводной мерзлоты при изменении температуры перекрывающей её воды, так и потоки внутреннего тепла по ослабленным трещиноватым зонам в земной коре, то есть протаивание мерзлоты может происходить с двух сторон. Как следствие, приходится констатировать не только опускание кровли подводной мерзлоты, но и неравномерное уменьшение её мощности, вплоть до образования в отдельных местах сквозных таликов, по которым может осуществляться разгрузка подмерзлотных газов. 



Аномальное выделение метана в шельфовой зоне морей Восточной Арктики. Источник фото www.oceanology.ru


Так, за последние двадцать лет появилось достаточно много прямых и косвенных данных о газопроявлениях из криолитозоны арктического шельфа. Здесь мы можем отметить многочисленные газовые сипы и покмарки в Баренцевом и Карском морях, участки площадной эмиссии метана в море Лаптевых, метановые плюмы в Восточно-Сибирском море, а также многочисленные газовые выбросы при опробовании донных отложений (в том числе находящихся в мёрзлом состоянии) Баренцева, Карского морей и морей Восточной Арктики. 

Сегодня предполагается, что основным источником выбросов метана являются его скопления в форме газовых гидратов, приуроченные к реликтовой субаквальной мерзлоте, а также скопления свободного газа, аккумулировавшегося на протяжении многих тысяч лет и локализованного либо внутри, либо под субаквальной мерзлотой, которая находится в настоящее время в неком переходном состоянии от мёрзлого льдистого к талому. Однако точно определить источник поступления газа и, следовательно, оценить его потенциальный метановый ресурс не всегда представляется возможным. К сожалению, отсутствие параметрического бурения на шельфе морей российской Арктики не позволяет подтвердить прямую связь эмиссии метана из донных отложений с газогидратными скоплениями. Но для других районов арктического шельфа (например, у берегов Шпицбергена или в море Бофорта) такие подтверждения получены американскими и канадскими учёными и связь потоков метана из шельфовой мерзлоты с гидратными скоплениями чётко установлена [1]. И поскольку во многих областях арктического шельфа дно обильно покрыто древними покмарками и плугмарками — миникратерами, образовавшимися на месте выбросов метана (возможно, из внутримерзлотных газовых или газогидратных скоплений), можно говорить о том, что выбросы газа из подводной мерзлоты происходят уже достаточно давно, как минимум, несколько тысяч лет. Но, вероятно, в последние десятилетия этот процесс стал идти по нарастающей. 

Газовые сипы – (от английского to seep, «просачиваться, цедить») – активные выходы метана в виде отдельных пузырей из донных отложений

Плюмы – (от английского plume, «шлейф, факел») – восходящие газовые потоки, образованные многочисленными пузырьками и часто имеющие форму факела

Покмарки и плугмарки -- (термины англоязычного происхождения) – миникратеры: покмарки (округлые конусовидные углубления в рельефе морского дна) и плугмарки (протяжённые борозды), образовавшиеся на месте разгрузки газонасыщенных флюидов.


Здесь следует отметить, что выбросы метана влекут за собой не только негативные климатические изменения, связанные с возможным планетарным потеплением, но и колоссальные риски аварий во время разведки и добычи углеводородов на арктическом шельфе из-за крайней неустойчивости как бурового снаряда, так и самих буровых платформ, что может осложняться всегда существующим риском взрыва метана. 

Ещё одну опасность в местах массовых выбросов метана образуют зоны разрежения плотности воды. При случайном попадании в такую зону корабль или подводная лодка могут потерпеть катастрофу. Возможно, это явление уже не раз становилось причиной гибели морских судов, но из-за недостатка научных знаний тогда находили другие объяснения произошедших трагедий.


    Научно-исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш». Фото Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН


Осенью 2019 года состоялась очередная международная научная экспедиция на научно-исследовательском российском судне «Академик Мстислав Келдыш», которая включала представителей двадцати двух заинтересованных организаций, в том числе ведущих профильных институтов и университетов России. Маршрут пролегал от Архангельска через Белое, Баренцево, Карское моря, море Лаптевых и Восточно-Сибирское море и составил около 12 тысяч километров. Экспедиция ставила своей задачей изучение различных параметров литосферы, гидросферы и атмосферы морей российской Арктики. В числе исследований был и мониторинг парниковых газов – СО2 и метана – как в воде, так и в воздухе, включая картирование газовых «сипов» - мощных выходов метана из донных отложений, с оценкой объёма выделяющегося газа. 

На сегодняшний день удалось закартировать более тысячи мест разгрузки метана на морском дне. Семь особо крупных участков можно даже отнести к категории «мегасипов», которые имеют более 1 км в диаметре. Причём выделения метана там носят далеко не эпизодический характер. Так, например, согласно опубликованным в 2015 г. данным, один из «мегасипов» в море Лаптевых площадью 6.400 км2, по консервативной оценке, способен выделять до 4 млн тонн метана за год. Экспедиция И. Семилетова, навестившая этот «мегасип» повторно, отметила кратный рост выбросов метана за три года. Что же касается выделения метана из «сипов», открытых только в 2019 г., то над одним из них в Восточно-Сибирском море на высоте двадцати метров над поверхностью воды была зафиксирована концентрация метана, превышающая среднюю общепланетарную почти в десять раз, а в тонком приводном слое – примерно в 30 тысяч раз. 


Участники арктической экспедиции (осень 2019 г.) на научном судне "Академик Мстислав Келдыш". Фото: Сколковский институт науки и технологий (Сколтех)


Итак, по оценкам учёных, если всего 10% от предполагаемых запасов гидратов в подводной мерзлоте попадёт в атмосферу, это приведёт к увеличению концентрации метана в десять раз, что может вызвать эффект потепления, сопоставимый с эффектом удвоения СО2, с выбросами которого в результате хозяйственной деятельности человека сейчас ведётся нешуточная борьба. Поэтому вопрос о соотношении антропогенных и природных факторов в глобальном потеплении всё ещё является предметом большой научной дискуссии и не имеет однозначного ответа. Возможно, что даже если мы сейчас выключим всю антропогенную активность (транспорт, заводы и фабрики, которые производят соответствующие выбросы в атмосферу), то всё равно будем наблюдать деградацию мерзлоты и потепление. Поэтому при обсуждении любой климатической доктрины (а для нас прежде всего – климатической доктрины России) необходимо учитывать, что роль геологического фактора ещё только предстоит оценить. Тут нужна национальная программа. Мы, благодаря нашему географическому положению и мощным научным школам, можем лидировать в одном из важнейших направлений наук о Земле. При этом достижения фундаментальной науки естественно послужат базой для решения множества прикладных задач, направленных, например, на освоение ресурсов арктического шельфа России или развитие Северного морского пути.


Добыча нефти на арктическом шельфе. Фото www.gazprom-neft.ru 


Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.

[1] В РФ нет параметрического бурение с отбором керна на всю глубину подводной мерзлоты (это очень дорого, планы такого бурения у некоторых нефтяных компаний имеются, но пока не реализованные). Существуют отдельные скважины, которые вскрывают лишь самые верхи подводной мерзлоты, а её мощность в восточных морях Арктики может достигать сотен метров. В США имеются разведочные скважины, которые вскрывают газогидратные горизонты, но эти арктические моря, в отличие от российских, более глубокие, и подводная мерзлота развита ограниченно (т.е. другие геологические условия).

Комментарии