ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 446, № 3, с. 330-335
= ОКЕАНОЛОГИЯ =
УДК 551.46.06
ДЕГРАДАЦИЯ ПОДВОДНОЙ МЕРЗЛОТЫ И РАЗРУШЕНИЕ ГИДРАТОВ ШЕЛЬФА МОРЕЙ ВОСТОЧНОЙ АРКТИКИ КАК ВОЗМОЖНАЯ ПРИЧИНА "МЕТАНОВОЙ КАТАСТРОФЫ": НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2011 ГОДА
© 2012 г. Академик В. И. Сергиенко, член-корреспондент РАН Л. И. Лобковский, И. П. Семилетов, О. В. Дударев, Н. Н. Дмитревский, Н. Е. Шахова, Н. Н. Романовский,
Д. А. Космач, Д. Н. Никольский, С. Л. Никифоров, А. С. Саломатин, Р. А. Ананьев, А. Г. Росляков, А. Н. Салюк, В. В. Карнаух, Д. Б. Черных, В. Е. Тумской, В. И. Юсупов, А. В. Куриленко, Е. М. Чувилин, Б. А. Буханов
Поступило 15.03.2012 г.
До недавнего времени существовало несколько гипотез, направленных на объяснение причин резких климатических изменений, имевших место на нашей планете [1]. Одна из таких гипотез была предложена Kennett с соавторами и получила название "газгидратная пушка" (clathrate gun hypothesis). Смысл этой гипотезы состоял в том, что изменение термического режима донных метановых гидратов при смене климатических эпох могло привести к массированным выбросам метана в атмосферу планеты, что в свою очередь привело бы к резким климатическим изменениям и даже коллапсу биосферы [2]. Основной проблемой этой гипотезы была сложность в объяснении двух фактов: не ясен механизм дестабилизации донных гидратов, поскольку установлено, что океанические газогидраты могут сохранять стабильность в широком диапазоне температур и давлений; не очевидны явления, которые позволяют избежать окисления метана, поступающего в водную толщу, с учетом того, что основным
Президиум Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток Тихоокеанский океанологический институт Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток Международный арктический научный центр, Университет Аляска Фэрбенкс, США Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Геофизический институт, Университет Аляска Фэрбенкс, США
Институт проблем лазерных и информационных технологий, Троицк Московской области
условием формирования океанических гидратов является глубина водного столба более 700 м.
С другой стороны, в климатической "кухне" нашей планеты Арктическому региону всегда отводилась исключительно роль холодильника, призванного запускать термохалинный конвейер Мирового океана [1]. Возможная роль Арктики в глобальном цикле углерода и ее вклад в парниковый эффект планеты даже не рассматривались. И это невзирая на тот факт, что почвы и осадки Арктического региона хранят более 30% мировых запасов углерода и что мобильность этих запасов связана со стабильностью многолетних мерзлых толщ (далее по тексту — мерзлота), которая определяется термическим режимом климатической эпохи (ледниковой либо межледниковой). Само название этих климатических эпох должно было послужить подсказкой для осознания того факта, что смена термических режимов при переходе от холодной эпохи к теплой, в первую очередь, будет оказывать влияние на наиболее чувствительную часть геосферы, а именно — на криосферу. При этом наиболее значительные изменения термического режима прослеживаются именно в Арктическом регионе, и именно в межледниковые эпохи в атмосфере Арктического региона регистрируется так называемый атмосферный максимум метана. Он выражается в том, что концентрации метана в атмосфере Арктики самые высокие на планете и в среднем на 10% выше, чем в атмосфере Антарктики.
Все эти факты привлекли внимание дальневосточных ученых, которые в начале 90-х годов прошлого века начали изучение цикла парниковых газов в Арктическом регионе. Первые значимые результаты этих исследований, в которых была показана роль арктических озер как круглогодичного источника метана в атмосферу, были опубликованы в 1996—1997 гг. [3, 4]. После этого ис-
следования были сфокусированы на изучении восточносибирского шельфа (ВСШ), который не только является самым широким и мелководным шельфом Мирового океана, но и претерпевает существенные трансформации при смене климатических эпох [5, 6]. Восточно-сибирский шельф характеризуется также тем, что на шельфе находится более 80% существующей подводной мерзлоты, а также основная часть мелководных газогидратов [7].
Наиболее характерными отличиями арктических газогидратов (по сравнению с океаническими) являются следующие: 1) высокая плотность пространственного залегания — толщина слоя чистых газогидратов может достигать сотни и более метров (в отличие от океанических, которые в основном существуют в рассеянном виде); 2) вероятность существования залежей на арктическом шельфе в несколько раз выше по сравнению с арктической сушей; 3) высокое поровое насыщение газогидратом — от 20 до 100% порового пространства (в океанических газогидратах поровое насыщение составляет в среднем 1—2%); 4) меньшая теплоемкость фазового перехода (в три раза меньше по сравнению с океаническими гидратами); 5) высокая чувствительность к дальнейшему потеплению, поскольку глубокие изменения термического режима подводной мерзлоты происходят уже в течение 5—6 тыс. лет [5, 6].
В ходе исследований тестировались следующие гипотезы:
деградация подводной мерзлоты ведет к формированию газопроводящих путей в структуре мерзлоты, что приводит к эмиссии метана из донных залежей, а также к росту продукции метана в талых осадках;
восточно-сибирский шельф является источником метана в атмосферу; мощность этого источника будет расти при продолжающейся деградации подводной мерзлоты;
деградация подводной мерзлоты вызывает деградацию газогидратов, что определяет характер эмиссии метана в отдельных районах восточносибирского шельфа;
эмиссия метана в отдельных районах восточносибирского шельфа может иметь массированный характер, что не исключает возможности роста атмосферных концентраций метана до уровней, способных вызвать значительное и даже катастрофическое потепление нашей планеты, как это уже происходило в далеком прошлом [2, 8].
До начала данного проекта на основании многолетних данных (2003—2010 гг.) было показано, что восточно-сибирский шельф является источником метана в атмосферу Арктического региона, вклад которого соизмерим с вкладом всего Мирового океана. Было также показано, что эмиссия метана в среднем составляет 3 мг/(м2 • сут) на ос-
новной части ВСШ и 13 мг/(м2 • сут) из акватории локализованных плюмов метана. Площадь таких плюмов составляет ~10% площади восточно-сибирского шельфа, в то время как их вклад в бюджет годовой эмиссии составляет ~53%.
Первоочередной задачей настоящего проекта является выявление масштабов деградации подводной мерзлоты и связанных с ней газогидратов, а также количественная оценка потоков метана в атмосферу на основе установления метанового потенциала восточно-сибирского шельфа (запаса метана в форме гидратов, свободного газа и метана, который может образоваться из органического вещества оттаивающих осадков), а также учета скоростей трансформации этого потенциала в современную эмиссию метана.
Для получения необходимых данных в 2011 г. российскими учеными в сотрудничестве с Международным арктическим научным центром Университета Аляска Фэрбанкс (МАНЦ) и Университетом Джорджия Афенс было выполнено две крупномасштабные экспедиции на шельфе морей Восточной Арктики: 45-суточная экспедиция на борту флагмана научно-исследовательского флота ДВО РАН нис "Академик М.А. Лаврентьев" и Первая российско-американская ледовая экспедиция с использованием колонкового бурения для оценки метанового потенциала восточно-сибирского шельфа (рис. 1а, б). В сообщении приведены некоторые результаты этих исследований.
Одним из наиболее важных результатов является обнаружение мощных и множественных прорывов метана (с концентрацией до 700 нМ) в виде фонтана пузырьков (так называемые факелы) в зоне глубин 60—110 м, где ранее исследования были весьма ограничены. Именно в этом глубинном интервале ранее предполагалось наиболее значительное протаивание подводной мерзлоты [5], что способствует формированию сквозных газо-выводящих путей [9]. На отдельных океанографических разрезах несколько факелов диаметром более 100 м сливались в многокорневой гигантский факел диаметром более 1000 м (рис. 2), что значительно превышает масштабы факелов, ранее зарегистрированных в Охотском море и других районах Мирового океана, где характерный диаметр факелов обычно измерялся от нескольких до первых десятков метров. Комплексные гидроакустические и геофизические исследования позволили идентифицировать корни факелов, уходящие в толщу обогащенных органическим веществом осадков восточно-сибирского шельфа, мощность которых достигает 15—20 км. Интересно, что область фонтанов метана, изученных в 2011 г., находится в зоне сочленения хребта Гаккеля с шельфом моря Лаптевых — районе с аномально высокой сейсмотектонической активностью. В то же время обнаружение метано-
Рис. 1. Карта-схема экспедиции на борту нис "Академик М.А. Лаврентьев" в сентябре—октябре 2011 г. (а) и буровой лагерь первой российско-американской зимней буровой экспедиции 2011 г. в море Лаптевых (б).
Глубина, м
Расстояние, км
Рис. 2. Пример мегафакела (одного из 117), обнаруженного в северной части моря Лаптевых в конце сентября 2011 г.
Рис. 3. Пример записи сейсмопрофилографа высокого разрешения, выполненной в мелководной части шельфа морей Восточной Арктики.
вого облака с концентрациями растворенного метана до 900 нМ и с масштабом свыше 200 морских миль в зоне глубин 40—60 м в Восточно-Сибирском море [10] не ассоциируется с активной сей-смо-тектонической деятельностью, что требует дополнительных комплексных межинститутских исследований.
Другим важнейшим результатом является ва-лидация сейсмических данных данными колонкового бурения со льда, впервые выполненная нами в 2011 г. в юго-восточной части моря Лапте-
вых [11] до глубины 65 м подо льдом (при глубине моря 12 м). Сопоставление данных бурения с полученным сейсмоакустическим временным разрезом показывает (рис. 3), что акустический рефлектор, прослеживающийся
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.