научная статья по теме ПРИРОДНЫЙ ФОН УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ (С1-С5) ВОДНОЙ МАССЫ КАРСКОГО МОРЯ Геология

Текст научной статьи на тему «ПРИРОДНЫЙ ФОН УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ (С1-С5) ВОДНОЙ МАССЫ КАРСКОГО МОРЯ»

ГЕОХИМИЯ, 2008, № 7, с. 721-733

ПРИРОДНЫЙ ФОН УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ (С1-С5) ВОДНОЙ МАССЫ КАРСКОГО МОРЯ

© 2008 г. Л. А. Кодина, В. Г. Токарев, Г. С. Коробейник, Л. Н. Власова, М. П. Богачева

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19

kodina@geokhi.ru Поступила в редакцию 21.09.2007 г.

В экспедициях на борту НИС "Академик Борис Петров ", проведенных в период 1997-2002 гг., детально исследовано распределение метана и углеводородов (УВ) С2+ по вертикальным разрезам водной толщи и в осадках Карского моря и эстуариев великих сибирских рек Оби и Енисея. Полученные данные, в сочетании с обширной информацией комплексного исследования элементов цикла углерода в акватории, послужили материалом для рассмотрения вопроса о происхождении УВ газов в морской воде.

Показана генетическая связь УВ газов С2-С5 морской воды, независимо от солености, с органическим веществом (ОВ) водной массы (на примере взвеси). В составе УВ комплекса преобладают высшие С4-С5-гомологи (80%). Концентрация УВ С4-С5 соизмерима в пресных водах эстуариев с высокой концентрацией метана (2-3 мкл/л), резко снижается в зоне смешения вод и быстро возрастает в морской воде за внешним контуром депоцентра седиментации речной взвеси до концентрации, превышающий концентрацию метана в несколько раз. Установлена прямая связь концентрации гомологов С4+С5 с ОВ водной толщи и ведущая роль лабильного ОВ автохтонной биомассы (морского фитопланктона) в образовании высших газовых УВ (алкенов, алканов, изоалканов) на раннеди-агенетической стадии трансформации ОВ в воде. В образовании УВ С2-С3, кроме биомассы фитопланктона, заметную роль играют также продукты деструкции терригенного ОВ. Процессы деструкции ОВ и новообразования газовых УВ, включая метан, локализованы в водной толще в слое пикноклина, наряду с пограничным слоем вода-осадок.

Абсолютное преобладание суммы гомологов С4+С5 в ряду УВ2+ газов и присутствие ненасыщенных УВ С2-С4 является характерной особенностью природного УВ фона водной толщи Карского моря.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования по геохимии УВ газов как части комплексного изучения биогеохимического цикла углерода в Карском море и сопряженной речной сети (реки Енисей и Обь) были проведены в период 1997-2002 гг. на борту НИС "Академик Борис Петров " в рамках германско-российского проекта 81КЁО [1]. Основные материалы и результаты изучения природных образцов в лаборатории геохимии углерода ГЕОХИ РАН представлены в недавно опубликованной статье [2].

Внимание авторов настоящей статьи сконцентрировано на детализации некоторых аспектов геохимии УВ газов С1-С5 в стратифицированной водной массе, связанных с влиянием речного стока на природную систему Карского моря. Основной акцент сделан на недостаточно изученных до настоящего времени вопросах происхождения (источников и процессов образования) газовых УВ в водах морской акватории. Наша задача состояла в том, чтобы на основе полученных в ходе экспедиций биогеохимических характеристик водной массы рассмотреть возможную связь органического

вещества (ОВ), поступающего в море с речным стоком и образующегося непосредственно in situ, с распределением по горизонтам водной массы УВ газового ряда.

Сведения по геохимии УВ газов в Карском море ограничены единичными публикациями, посвященными детальным исследованиям лишь одного метана [3, 4]. В донных отложениях Карского и Берингова морей отмечалось присутствие также и высших гомологов метана [3, 5, 6]. Однако системного изучения УВ газов в водной толще и современных осадках Карского моря, как и других арктических морей России, в рамках комплексного биогеохимического исследования ранее не проводилось.

Между тем, геохимический мониторинг водной массы и современных донных отложений в пределах нефтегазоносного бассейна не потерял своего значения при выявлении локальных скоплений углеводородного сырья, а также при экологическом контроле углеводородного загрязнения акватории [7, 8], что является в настоящее время весьма актуальным для Карского моря.

МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЯ. МЕТОДИКА ВЫДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ИЗ ВОДЫ И АНАЛИЗА МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА УГЛЕВОДОРОДОВ

Фактологической основой статьи послужили данные по распределению метана и высших гомологов С2+ (С2-С5), в сочетании с ОВ водных масс (на примере взвеси) по вертикальным разрезам водной массы с учетом основных гидрохимических параметров (соленость и температура воды, концентрация кислорода и биогенных элементов), выполненным в 2001 (частично в 2000 г.) вдоль наиболее протяженных меридиональных профилей Обь-Карское море и Енисей-Карское море (от 69° до 78° с.ш.) и опубликованным в статье [2]. Привлечены также некоторые материалы по ОВ водной взвеси и биогенным элементам, полученные в экспедициях на борту НИС "Академик Борис Петров" в 1997 и 1999 гг. для небольших профилей через северную часть обоих эстуариев и непосредственно прилегающую к эстуариям южную часть моря (72°-74.5° с.ш). Все экспедиции проходили в летне-осенние сезоны (конец июля- начало октября). Расположение станций по разрезам 2001 г. показано на рис. 1. Для представления основных положений, развиваемых на основе полученных аналитических данных, в настоящей работе использован графический материал, основанный на опубликованных ранее табличных данных [2]. Методическая часть ограничена описанием препаративной процедуры выделения из воды УВ газов, минимальная концентрация которых соответствовала уровню n х х 10-4 мл/л.

Максимально полное извлечение газов было достигнуто при применении процедуры вакуумной дегазации воды с соленостью не менее 20 г/л при температуре 80°С. Пробу воды (500 мл) отбирали в склянку для переливания крови непосредственно после подъема на борт аппарата Rozett. Предварительно в склянку вносили в контейнерах навеску NaCl, необходимую для обеспечения солености воды не менее 20 г/л. В тщательно закрытой склянке с пробой (резиновая пробка и алюминиевый колпачок) создавали разреженное пространство для выхода газа, отбирая при помощи шприца 0.1 часть объема пробы, и нагревая на водяной бане (до 80°С) при периодическом встряхивании до полной дегазации. Выделяющийся газ порциями переносили из head-space пространства в предварительно вакуумированную и тщательно закрытую склянку (объем 15-25 мл) при помощи шприца, предохраняя пробу газа на всех стадиях работы от возможного разбавления воздухом. Процедура обеспечивает получение максимально сконцентрированного препарата УВ, что дает возможность идентифицировать и количественно определить в морской и пресной воде содержание не только метана, но и его гомологов (н-алканов С2-С5), а также оле-

финов и изо-алканов. Анализ молекулярного состава газов проводили на хроматографе Цвет-560 с пламенно-ионизационным детектором, используя набивную адсорбционную колонку, заполненную модифицированным и предварительно активированным А1203. Хроматографическое разделение газов проводили в изотермическом режиме при температуре 104°С [9, 10]. Для измерения концентрации использовали стандартный образец калибровочной смеси УВ газов. Чувствительность пламенно-ионизационного детектора не ниже 10-3 мкл/л. Концентрация газов приведена в мкл/л. (п х 10-3 мл/л).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Распределение УВ газов по вертикальному разрезу водной массы вдоль меридиональных профилей "река-море"

В составе препаратов газовой фазы идентифицированы и определены концентрации всех газовых УВ: н-алканов С1-С5, изо-алканов С4 и С5, ал-кенов С2-С4. В пресных водах эстуариев обеих рек абсолютно преобладал метан (максимальные концентрации до 8 мкл/л), в морских - сумма газов С2-С5 (С2+), иногда - лишь сумма С5 (пентан, изо-пентан). Содержание олефинов в пресных водах не превышало нескольких процентов от общей суммы С2-С5. В морской воде содержание олефинов было заметно выше - до 6-15%. Как правило, в морской воде свыше 95% олефинов приходилось на бутилен, в пресных водах отмечено также присутствие следовых количеств этилена и пропилена.

Распределение метана и суммы С2-С5 в поверхностном горизонте водной массы (для профиля 0бь-море-2001) показано графически на рис. 2. В пресной воде южной части Обской губы отмечается относительно высокое и достаточно ровное (от 2 до 3 мкл/л.) содержание метана, с максимальным значением 3.2 мкл/л. Послойное инструментальное зондирование водной массы мелководной части (от 24 до 8 м.) Обского эстуария по техническим причинам не проводилось. По данным зондирования пресноводной части Енисейского профиля, проведенного в 2000 г., было установлено равномерное распределение метана (концентрация до 4.3 мкл/л.) и других УВ газов по глубине однородной массы пресных вод [2], на основании чего мы полагаем, что картина распределения метана в поверхностном горизонте пресноводной части Обского профиля адекватно отражает уровень концентрации метана по всей глубине однородной водной массы эстуария.

Проникновение в эстуарную область Оби клина соленой морской воды, распространяющейся по дну под влиянием сезонных ветров из северо-восточной части моря вплоть до южной границы Обской Губы (ст. 01-80, рис. 1), приводит к осолонению всей водной толщи и ее стратификации. В зоне сме-

78°

01-46 ?

0Ь!8 «0135.....01-37„

01-49"""......'

01*47

*01-69 ^ 01-50

01-5^-01-52

77°

01-50

01-55

01-57

01-58

76° -

75° -

01-59 01-60

01-62 * 01-61 01-63

-•'01-34 01-36 аа'31

01-32 01-33

01-45 01-39'

01-38 01-44

01-40 01-30

01-29

01-64

01-65

01-67

01-66 01-01

01-68

74° -

01-26

.- .01-24 01-23

Енисейский залив

01-28

Рис. 1. Расположение научных станций и меридиональные профили "река-море", выполненные в экспедиции НИС "Академик Борис Петров" в 2001 г.

шения вод, охватывающей ст. 80-82, начиная с солености поверхностной воды 0.7 г/л., формируется пикноклин, разделяющий высокосоленую массу придонной воды (до 35 г/л.) от распресненного (до 25 г/л.) верхнего слоя. Как показано на рис. 2а, уже при минимальной величине солености в поверхностной воде происходит резкое снижение концентрации метана в несколько раз. Во всей морской

части профиля содержание метана в верхнем ра

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.

Показать целиком