УДК 551.464.34:547.211(265.546)
Особенности распределения концентрации метана и его потоков на границе раздела вода — атмосфера на акватории Татарского пролива Японского моря
Г. И. Мишукова*, В. Ф. Мишуков*, А. И. Обжиров*, Н. Л. Пестрикова*, О. Ф. Верещагина*
По данным экспедиционных исследований 2012—2013 гг. изучено пространственное распределение содержания метана в морской воде на акватории Татарского пролива Японского моря. Разработанная модель позволила рассчитать его потоки на границе вода — атмосфера. Определены акватории активного выделения метана в районе подводных выходов газовых образований. Установлено аномальное содержание метана в районах выделения пузырьков природного газа на западном шельфе и склоне о. Сахалин, под влиянием которых происходит апвеллинг придонных вод в вышележащие горизонты. Обнаружено, что формирование холодного подповерхностного слоя морских вод (ХПС), особенно активно происходящее в районе газовых факелов, обусловлено фазовыми переходами при гидрофобной гидратации молекул природного газа.
Ключевые слова: распределение метана, поток метана, Японское море.
Введение
В последнее десятилетие в Тихоокеанском океанологическом институте им. В. И. Ильичева ДВО РАН наиболее активно проводились исследования в области изучения распределения метана и газогидратов на акватории северо-западной части Тихого океана. Результатам исследования посвящены многочисленные статьи и несколько монографий [1, 3, 5, 6]. Интерес к данной проблеме, кроме решения энергетических задач, обусловлен необходимостью определения степени влияния метана на парниковый эффект и образование озоновых дыр [3].
Результаты расчета потоков метана на акватории Японского моря в атмосферу, приведенные в работах [2, 4, 7, 15], были получены для концентрации метана в приповерхностных морских водах и атмосфере. Анализ результатов показал, что на акватории северо-западной части Японского моря можно выделить районы (например, возвышенность Витязя, каньон Гамова, склон залива Петра Великого, пролив Лаперуза), где зарегистрированы повышенные значения концентрации метана и увеличение его потоков в атмосферу.
Цель настоящей работы — анализ комплексных данных, полученных на акватории Татарского пролива, для определения влияния метеорологических, гидрологических и гидрохимических параметров морской воды на распреде-
* Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: gmishukova@poi.dvo.ru.
ление метана и расчет величины его потоков на границе вода — атмосфера с учетом изменения сейсмической активности в Японском море.
Объекты и методы исследования
Отбор проб воды с разных горизонтов осуществляли батометрами Нискина системы Rozzet в комбинации с многопараметрическим CTD-зондом. Концентрацию метана в воде определяли методом равновесного парафазного анализа, описанного в работе [15]. Анализ газовой фазы производили на борту судна с помощью хроматографа "Кристалл-Люкс-4000м" (Россия, г. Йошкар-Ола).
Для расчета содержания метана, растворенного в морской воде, использовали уравнение, приведенное в работе [16]. Чувствительность по метану составила 1 • 10-6%. Относительная ошибка определения объема газа, растворенного в морской воде, не превышала 0,6%, коэффициент вариаций при многократном определении содержания метана в одной точке в природных условиях не превышал 3,2%.
Особенности распределения метана на границе вода — атмосфера изучали на акватории Татарского пролива Японского моря. Особое внимание уделялось полигонам к западу от о. Сахалин, включающим шельфовые районы, где глубина достигала 200 м, склон и глубоководные районы (глубина до 1200 м), где были обнаружены подводные газовые факелы, которые фиксировались по обратному рассеянию при эхолучевой локации.
При анализе были использованы данные, полученные в ходе двух экспедиций на научно-исследовательском судне (НИС) "Академик Лаврентьев" (рейс 59, август 2012 г.; рейс 62, июнь 2013 г.). Данные о положении эпицентров, времени и магнитудах землетрясений за 2011—2013 гг. для учета влияния сейсмической ситуации района в момент проведения экспериментальных исследований взяты на сайте Геологической службы США [14]. Потоки метана рассчитывали по методике, описанной в работах [3, 12], а метеорологические измерения проводили на судовой метеостанции во время дрейфа.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 изображена схема расположения станций отбора проб воды, распределение концентрации метана в поверхностном слое морской воды, потоки метана на акватории Татарского пролива и положение эпицентров землетрясений в районе о. Сахалин в 2011—2013 гг.
По данным экспедиций, горизонтальное распределение концентрации метана в поверхностном слое морской воды на изучаемой акватории Японского моря неравномерно. Средняя равновесная с атмосферой концентрация метана в морской воде соответствует ориентировочному значению С~ 2,6 нмоль/л при ее солености и температуре в момент измерений, причем выделение метана наблюдается при С > 2,6 нмоль/л (таблица). Представленные на рис. 1 данные показывают, что максимальное выделение метана наблюдалось на западном шельфе о. Сахалин в районе расположения подводных газовых факелов.
Сравнение схем распределения метана в поверхностных водах и землетрясений на о. Сахалин и в прибрежных водах Японского моря свидетельствует о том, что под влиянием землетрясений происходит активизация выделения ме-
Рис. 1. Распределение концентрации метана в поверхностных водах (нмоль/л) и потока метана (моль/(км2 • сут)) на акватории Японского моря.
1, 2 — станции отбора проб воды во время экспедиций на НИС "Академик Лаврентьев": рейс 59, август 2012 г. и рейс 62, июнь 2013 г. соответственно; 3 — эпицентры землетрясений; 4, 5 и цифры — поток метана (моль/ (ккм2- сут)), рассчитанный по данным экспедиций на НИС "Академик Лаврентьев" рейс 59, август 2012 г. (профиль 1) и рейс 62, июнь 2013 г. (профиль 2).
Характеристики изменения концентрации метана и параметров поверхностного слоя морской воды в Японском море
Характеристика С С* АС К, % Т, °С и, м/с £ %0 Г, моль/
нмоль/л (км2 • сут)
НИС " Академик Лаврентьев", рейс 59, август 2012 г.
Максимум 11,5 2,9 8,6 393 20,0 7 33,42 14,1
Минимум 3,4 2,2 0,9 134 10,0 2 33,10 1,6
Среднее 5,6 2,5 3,1 221 17,6 5 33,24 5,1
НИС ' "Академик Лаврентьев", рейс 62, июнь 2013 г.
Максимум 10,4 3,1 7,7 383 13,8 15 33,74 38,1
Минимум 3,3 2,6 0,1 102 10,5 9 32,51 0,5
Среднее 5,0 2,7 2,3 184 12,3 12 32,97 11,8
Примечание. С — измеренная концентрация метана, С* — равновесная концентрация, которую имел бы атмосферный метан в морской воде при данных температуре Т, солености £ морской воды в трехметровом поверхностном слое и атмосферном давлении; АС — разность между измеренным и равновесным значениями концентрации метана; К — показатель насыщения вод метаном, ^ — его поток на границе вода — атмосфера; и — скорость ветра для изучаемых акваторий.
тана из литосферы в морскую воду. Максимальные потоки метана наблюдались между 47,5 и 48,5° с. ш., где 8 мая 2013 г. вблизи станций отбора проб воды был зарегистрирован эпицентр землетрясения. Еще одно землетрясение произошло 4 июля 2013 г. вблизи о. Монерон после отбора проб. Следует отметить, что в 2011 и 2012 гг. в изучаемом районе землетрясений не было.
Распределение концентрации метана, температуры и солености морской воды Татарского пролива по профилям 1 и 2 (см. рис. 1) представлено на рис. 2. Вертикальное распределение метана на акватории носит явно неоднородный характер, который, по-видимому, обусловлен как сложной гидрологической структурой течений в исследуемом районе, так и влиянием на распределение метана сезонных изменений гидрохимических параметров морской воды.
Таким образом, активное выделение метана из подводных источников на западном шельфе о. Сахалин обусловливает формирование подповерхностного слоя морской воды (глубина 280—380 м) с максимальными значениями концентрации метана в летний период 2012 г. на акватории протяженностью около 150 км (рис. 2а). Также можно отметить формирование локальных участков с максимальным содержанием метана в морской воде на глубине 430—470 м, 550 м и в придонном слое.
Рис. 2. Вертикальное распределение концентрации метана (а, в; нмоль/л) и температуры (б, г; °С) на акватории Японского моря во время экспедиций на НИС "Академик Лаврентьев". а, б) рейс 59, август 2012 г. (профиль 1); в, г) рейс 62, июнь 2013 г. (профиль 2).
По вертикальному распределению всех параметров (рис. 2в, г) в июне 2013 г. профиль 2 значительно отличается от профиля 1. Прежде всего это обусловлено более близким его расположением к береговой линии. Кроме того, профиль 2 проходил в районе, где обнаружено активное выделение метана в виде многочисленных "факелов пузырьков". В этом районе можно выделить три области с повышенным содержанием метана в морской воде на глубине 40, 130 и 260 м (и, возможно, на глубине 450 м). Размеры этих областей по вертикали достигают от десятка до сотни метров, а в горизонтальном направлении — от 50 до 120 км. Формирование зон с максимальным содержанием метана сопровождается уменьшением температуры и солености морской воды на соответствующей глубине.
Для объяснения вышеприведенных особенностей распределения концентрации метана, а также других гидрохимических характеристик морской воды было проведено моделирование некоторых природных процессов на базе модели термогазовой дивергенции, которая основывалась на модели переноса газоконденсата [3] и на математическом аппарате ранее разработанных моделей, описанных в работах [8, 17]. В качестве базовой модели расчета поля течений в отличие от использованной авторами работы [3] была применена Prinseton Oceanic Model, описание которой находится в открытом доступе в Интернете [11]. Она представляет собой трехмерную нестационарную, нелинейную численную модель, учитывающую плотностные uden(x, y, t) и ветровые течения uw(x, y, t). Кроме того, в расчете были учтены приливо-отливные utide(x, y, t) и турбулентные течения ud(x, y
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.