Естественные источники атмосферного метана в Циркумтихоокеанской области криолитозоны (северо-восток России)

Циркумтихоокеанскую (ЦТО), разделенные Главным водоразделом Земли (ГВЗ). Эти области на Северо-Востоке РФ имеют и четкие геологические различия [1]. Различия ЦАО и ЦТО по климату, мерзлотно-гидрогеологическим условиям, геологическому строению позволяют предполагать, что и газогеохимия метана в этих областях различна. Однако эти различия до сих пор в печати не освещены.

Цель работы: – охарактеризовать основные источники атмосферного метана в пределах Циркумтихоокеанской мерзлотно-гидрогеологической области, выявить закономерности поступления его из недр в атмосферу.

Материалы для достижения поставленной цели получены авторами статьи в последней четверти 20 в. и первом десятилетии 21 в. при газогеохимических работах, связанных с поисками месторождений нефти и газа на северо-востоке России, а также при изучении подземных вод и нерудных полезных ископаемых на побережье Тауйской губы Охотского моря. Надо заметить, что газогеохимические работы при нефтегазопоисковых работах прекратились в 1994 г. и до сих пор не возобновлены. По этой причине полученные нами материалы являются наиболее полными и представительными. Работы выполнялись как в теплое время года, так и круглогодично на стационарах в центральной части Анадырской низменности в 1986-1987 гг. и в Нижне-Арманской, открытой в Охотское море, в 1990-1994 гг. Пробы газа отбирались стандартными способами, анализ их осуществлялся на хроматографе ЛХМ-8 с совмещенными детекторами по теплопроводности и по ионизации в пламени. Разделение газов (азот, кислород, водород, метан) осуществляли в колонке с молекулярными ситами 5Ǻ зернением 80100 меш. Определение состава и количества сорбированных грунтами компонентов, в том числе почвой, торфом, осуществлялся на хроматографе ЦВЕТ-102. Все анализы выполнялись под руководством О.В. Щербаня. Всего нами было отобрано и проанализировано более 4500 проб газа из приземного слоя атмосферы, из «сухих» выходов и водорасворенного, взятого из сезонно-талого слоя и многолетнемерзлых пород, подземного озерного и сезонного льда. Также привлекались опубликованные материалы других исследователей, указанные с списке работ, и данные рукописных отчетов, составленных геологами бывших производственногеологических объединений (ПГО) – СевероВосточного, Сахалинского и Камчатского, треста «Дальвостуглеразведка».

Общая характеристика объекта исследований . ЦТО в пределах Северо-Востока России имеет общую площадь около 760 тыс. км² (рис. 1). Она является слабо освоенной окраиной с плотностью населения около 0,2 чел. на 1 км². Общая длина постоянных автодорог не более 500 км. Промышленные предприятия и сельхозугодия, требующие полива, отсутствуют. Можно с полной уверенностью сказать, что значимых антропогенных источников метана на площади ЦТО нет.

Рис. 1. Схематическая карта Циркумтихоокеанской гидрогеологической области:

1 – Главный водораздел Земли (ЦАО – Циркумарктическая область, ЦТО – Циркумтихоокеанская область); 2 – горные районы; 3 – наиболее крупные низины, в том числе (в кружочках): 1 – Пенжинская, 2 – Анадырская, 3 – Беринговская, 4 – Хатырская, 5 – Пусторецкая, 6 – Олюторская, 7 – Ильпинская, 8 – Охотская, 9 – Тауйская, 10 – Ольская, 11 – Ямская, 12 – Гижигинская, 13 – Западно-Камчатская; 4 – основные населенные пункты

Климат повсеместно холодный с чертами морского на побережьях и континентального по удалении от морей на несколько десятков километров. Среднегодовая температура воздуха отрицательная, меняясь от -2,5°С на побережье Охотского моря до -10°С в верховьях рек Пен-жина и Анадырь. Длительность холодного периода года 7-7,5 месяцев.

Рельеф ЦТО преимущественно гористый. Наиболее распространены низкогорья с выпо-ложенными водоразделами, отметками вершин до 1200 м. Локально возвышаются среднегорные массивы и хребты. Суммарно гористый рельеф занимает около 600 тыс. км2 ЦТО. На площади 150-160 тыс. км2 развиты выположенные затун-дрованные пространства: грабен-долины, межгорные малые и рифтогенные впадины.

В геологическом строении ЦТО принимают участие террейны Охотско-Корякского юрско-раннемелового и Корякского раннемелого орогенных поясов. На террейны орогенных поясов наложены рифтогенные осадочные бассейны (ОБ) Пенжинско-Анадырской, включая Хатыр-ский и Беринговский, и Гижигинско-Охотской систем. Эти ОБ в позднем мезозое и кайнозое являлись объектами накопления осадочных пород мощностью от нескольких сот до 3-4 тыс. м. Они перспективны для поисков нефти, газа, угля, торфа. В современном рельефе эти впадины представлены низменностями или межгорными впадинами.

В геокриологическом отношении на обширных площадях в ЦТО развита слабопрерывистая и прерывистая криолитозона, которую мы рассматриваем как криогенный водоупор (КВ). Водораздельные пространства проморожены до глубины 450-500 м. В речных долинах под днищами непромерзающих озер формируются сквозные талики, по которым осуществляется свободный водогазообмен недр с атмосферой. Общая площадь сквозных таликов возрастает от 5-8% в зоне слабопрерывистой криолитозоны до 30% в прерывистой, участками островной. Во впадинах южнее 60° с.ш. характер криолитозоны островной, площадь сквозных таликов более 30%.

Изложенные основные характеристики ЦТО определяют специфику сингенетичного образования метана в недрах и его эмиссии в атмосферу. Достаточно обоснованно можно выделить два района, различные по масштабам генерации метана и его выделения в атмосферу.

Районы гористые отличаются развитием плоскогорий, нагорий, хребтов с альпинотип-ным рельефом. На горных склонах крутизной от 15-20° и более развиты грубообломочные делювиально-элювиальные отложения, бедные захороненным органическим веществом. Большую часть года эти образования находятся в многолетнемерзлом состоянии. Подстилающие мерзлые осадочные породы, слагающие террейны, литифицированы до уровня начальных фаций регионального метаморфизма или представлены разнообразными туфами и магматическими образованиями. В силу этих обстоятельств метаногенез в них или затруднен, или не осуществляется. Можно обоснованно предположить, что орогенные пояса, на площади которых (около 600 тыс. км²) развит гористый рельеф, в пополнении ресурса метана в атмосфере не участвуют.

Районы низменные в геологическом отношении являются впадинами или прогибами. Это ОБ, межгорные впадины и грабен-долины, заполненные преимущественно осадочными отложениями со скоплениями захороненного органического вещества – торфа, бурого и каменного угля, нефти, газа. Обычно их поверхность – плоская низина, иногда холмистая, с болотами, тундрой или лесотундрой и множества озер, чаще всего термокарстовых. Наиболее крупные из них: Анадырская с площадью около 30 тыс. км2, Пенжинская – около 25 тыс. км2, Пусторец-кая – около 22 тыс. км2, Хатырская – около 5 тыс. км2, Марковская – около 1 тыс. км2 и т.д. Суммарная площадь низменных районов в ЦТО около 150 тыс. км2.

Источники атмосферного метана в низменных районах разнообразны. В ОБ, которые проявляли тектоническую активность в четвертичное время (Хатырский, Беринговский, Пусторецкий), отмечены выходы свободных газовых струй – «сухих» или совместно с источниками подземных вод. Метан в виде газовых пузырьков или газовых струй выделяется в теплое время года с поверхности озер и речных проток. Он может диффундировать в атмосферу из сезонно-талового слоя (СТС) тундры и лесотундры, выделяться в виде мелких пузырьков при таянии сезонных льдов озер и речных проток.

Свободные газовые струи наиболее заметны и изучены достаточно хорошо, В Хатырском ОБ при нефтегазопоисковых работах выявлено 78 групп таких источников [6]. С сероводородными источниками связаны свободные выделения газа с содержанием метана от 70 до 97,7 об.%, в среднем 80 об.%. Суммарный дебит газовых струй около 90 м³/сут. При этом в атмосферу поступает метана около 72 м³/сут. или 26,3 тыс. м³/год. Струи свободных газов выявлены в зонах надвигов по долинам рек Кулькай, Нейвытвыр-веем, у подножия Именейских гор. Дебиты газовых струй от 11 до 112 м³/сут., суммарно 153 м³/сут. или около 56 тыс. м³/час. Содержание метана в газовых струях 96-99 об.%, в среднем принимаем 97,5 об.%. Следовательно, выброс метана в атмосферу около 55 тыс. м³/год. Таким образом, с площади Хатырской впадины (5 тыс. км²) за год в атмосферу поступает около 16 м³ СН 4 /год∙км².

На территории Беринговского (площадь около 3 тыс. км²) и Пусторецкого ОБ (Кинкиль-ский – около 22 тыс. км²) источники сероводородных вод и свободных газов не изучены. По имеющимся материалам [2], геологическое строение, характер рельефа, мерзлотногидрогеологические условия упомянутых ОБ сходны с Хатырским ОБ. Соответственно, эмиссию метана в атмосферу с площади трех ОБ, суммарно с 25 тыс. км², при удельном расходе метана в 16 м³ СН 4 /год∙км² можно оценить в 480 тыс. м³/год.

ОБ, грабен-долины и межгорные впадины, стабильные в четвертичное время или преимущественно погружающиеся в неотектонический этап, имеют общую площадь около 120 тыс. км2.

Они представлены тундрой и лесотундрой с повсеместным развитием многолетнемерзлых пород (ММП), которые рассматриваются как криогенные водоупоры (КВ). Сквозные талики существуют под руслами и в поймах водотоков. При наличии слабоводогазопроницаемых, главным образом глинистых, пород в составе осадочных дегазация подмерзлотных горизонтов возможна только в режиме диффузионного массоперено-са. Этому способствует и температура КВ, которая в ярусе годовых теплооборотов обычно выше -4,5°С [3]. Следовательно, в мерзлых породах имеются пленочные воды, в составе которых мигрируют и газы.

Озера и слабопроточные речные рукава (далее – озера ) являются одним из значимых производителей метана, поступающего в атмосферу. В теплое время года воды озер из-за интенсивности ветрового перемешивания насыщены кислородом с поверхности до дна. Но в придонных отложениях, представленных пелитами или торфом, сохраняется восстановительная обстановка, благоприятная для генерации метана бактериями (табл. 1).

Таблица 1. Результаты микробиологического и газового анализа субстратов дна озер Анадырской низменности [4] (анализы выполнены в лаборатории ВНИИ ЯГГ, 1972 г.)

Содержание бактерий, баллы		Состав газа, объемные %
метанообразующие	водородообразующие	СН 4	СО 2	О 2	N 2 +Р.Г.
0,5	1,5	61	1,24	2,27	35,5
2,5	1	71,6	0,81	0,92	25,7
0,3	0,5	53,8	0,57	1,8	43,8
0,2	3	76,7	1,09	1,72	20,5

Генерируемый бактериями метан накапливается под уплотненными дернинами, плоскими щебенками, крупными растительными остатками и выделяется в виде струй к дневной поверхности озер. Интенсивность такого выделения, по наблюдениям в озерах на северном побережье Охотского моря и в Анадырском ОБ, составляет примерно 5 см3/м2 в сут. С 1 км2 озерной поверхности поступает в атмосферу около 0,2 м3/сут. при среднем содержании метана 54 об.%. Общая площадь озер составляет примерно 30% от площади низин. Эмиссия метана из них в атмосферу составит 4860 м3/сут., а за 5 теплых месяцев – 7,4∙104 м3.

В начале октября с наступлением холодного периода формируется ледовый покров, достигающий максимальной мощности 1,7 м к январю. Подо льдом в восстановительной среде активизируется бактериальная деятельность. Метан, генерируемый в донных отложениях, насыщает подледный слой воды. Этот газ образует газообразные включения во льду. Из-за множества мелких пузырьков газа лед на промерзающих озерах обычно непрозрачный. Пористость озерного льда в среднем 10 см3/кг. Толщина льда в апреле, определенная нами при бурении скважин для взрывных работ в Анадырском ОБ, равна 1,75 м. При этой толщине суммарный объем льда составит около 79∙109 м3, вес его примерно 72∙109 т. При газосодержании 10 см3/кг общая газонасыщенность 72∙107 м3. Среднее содержание метана в газе льда 58 об.%, общий объем этого газа 42∙107 м3. В составе газа, взятого из промерзающих озер, возрастает концентрация СО2 до 37%. Генерируемый газ пополняется за счет микровыделений газа из воды, поэтому сезонный ледовый покров является надежным аккумулятором генерируемого в озерах газа. Этот газ, сконцентрированный в свободных скоплениях (пузырьках) за 7-месячный холодный период года при таянии ледового покрова полностью выделяется в атмосферу на протяжении не более 30 суток. При этом интенсивность поступления метана в атмосферу составит около 1,4∙107 м3/сут.

Роль СТС в обогащении приземных слоев атмосферы метаном изучена слабо, но, видимо, она значительно меняется в зависимости от ландшафтных, климатических, гидрогеологических ситуаций. Результаты наших режимных наблюдений, проведенных в 1980-х и 1990-х гг., за составом газов, образуемых в СТС в тундре и лесотундре Охотско-Анадырской системы впадин, показал, что газогеохимические обстановки в приземных слоях атмосферы и в СТС в значительной степени связаны с температурой грунтов, фазовым состоянием воды, окислительно-восстановительным потенциалом [6, 7]. Поэтому интенсивность выделения метана из СТС в атмосферу в течение теплого сезона года (152 дня) меняется. Наибольших значений содержание метана в приземном слое отмечено в начале оттаивания, минимальные – в конце теплого сезона – начале холодного. На локальных участках выхода угольного пласта в приповерхностный слой максимальные значения этого показателя установлены в конце теплого периода года [10]. Данный факт нуждается в дополнительном изучении.

Закономерность максимального сброса метана в атмосферу при оттаивании СТС обусловлена изменениями геохимической среды и сорбционной емкости сезонно-талых образований при переходе температур от положительных к отрицательным. В оттаивающем СТС господствует окислительная среда, обусловленная питанием подземных вод атмосферными осадками. С началом холодного периода (конец сентября – начало октября) и образованием приповерхностного мерзлого слоя почвы в СТС формируется восстановительная обстановка, благоприятная для функционирования УВГ-генери-рующих бактерий, прежде всего метанпроизво-дящих. Существование последних в мерзлых породах доказано рядом работ [5, 12]. За счет жизнедеятельности бактерий восстановительной среды (археи) за время промерзания СТС в свободных газах накапливаются Н 2 , СО 2 , СН 4 .

Содержание метана в промерзающих грунтах возрастает многократно, в отдельных случаях до 5-6 об.% [7].

Промерзание в северных районах ЦТО завершается в конце ноября, в южных на охотоморском побережье – в конце декабря. На участках, перспективных на уголь, нефть или газ, миграция углеводородных газов (УВГ) происходит из подмерзлотных слоев в СТС и при полном его промерзании [9]. Процесс, возможно, осуществляется по контакту льда-цемента с минеральными частицами при участии пленочных вод [8]. По этой причине существует зависимость миграции газов от температуры грунтов. Возможно, охлаждение их в приповерхностном слое на глубине в первые десятки сантиметров до температуры ниже -7°С препятствует диффузии газов из-за вымерзания пленочных вод, и происходит накопление этих газов в течение холодного периода года. Это было отмечено при изучении газоносности приповерхностного слоя в Анадырском ОБ (табл. 2).

Таблица 2. Содержание УВГ (среднеарифметическое, в n∙10^-3 cм²/кг) в СТС на нефтегазоносных площадях Анадырского ОБ

Грунты*	ноябрь 1986 г.		апрель 1987 г.
	метан (СН 4 )	СН 4 +С 2 Н 6 /С 3 Н 8 +С 4 Н 10	метан (СН 4 )	СН 4 +С 2 Н 6 /С 3 Н 8 +С 4 Н 10
торф	98,8	35,6	809,7	60,8
суглинок	66,8	7	221,5	17,6
супесь	5,1	-	123,66	8,3

Примечание:* - пробы взяты с глубины сезонного промерзания

Таким образом, СТС в холодный период года является аккумулятором метана (и других газов), который, видимо, частично сбрасывается в снежный покров. Содержание метана в этом покрове на отдельный участках достигает 11,8∙10-3 см3/дм3, реже, на аномальных участках, до 25∙10-3 см3/дм3 [14]. Как известно, растворимость метана в дистиллированной воде при температуре 0°С равно 48,9 см3/дм3. Следовательно, талая вода резко недонасыщена метаном, в силу чего процесс разрушения снежного покрова не сопровождается эмиссией накопленного метана в атмосферу. Снежный покров можно рассматривать как фильтр по отношению к газам, мигрирующим в атмосферу из СТС.

Как известно, оттаиванию льдистых пород, повышению их температуры выше 0°С предшествует формирование слоя нулевой завесы, в которой грунты имеют температуру 0°С, но вода находится в твердой фазе. Повышение температуры от отрицательной до 0°С сопровождается потерей сорбированных газов. Не исключен и распад метаногидратов, рассеянных в

СТС. При температуре 0°С метаноокисляющие бактерии не оказывают влияния на сброс метана в атмосферу. Так, на площади перспективного в нефтегазоносном отношении Анадырского бассейна в утренние часы с 02 по 12 июня 1987 г. концентрация метана в приземном слое атмосферы (в 0,2 м над поверхностью тундры) при мерзлом СТС составила 0,03-0,04 об.%. К 26 июня 1987 г. она понизилась до 2∙10-3 об.%. В последующие три месяца упала до уровня n∙10-4 об.% и ниже [15]. Эмиссия метана в атмосферу в июне была в среднем нами оценена в 2∙10-4 м3/км2∙сут. После достижения глубины оттаивания ниже 20 см и формирования сезонноводоносного слоя поток метана в атмосферу уменьшился до 2∙10-6 м3. Приняв площадь тундры и лесотундры равной площади низменных районов, оцениваем эмиссию метана в атмосферу за время становления СТС (30 суток) в 900 м3. В последующие дни теплого периода (122 дня) поступление метана в атмосферу составит 37 м3, суммарное поступление с поверхности низменных районов ЦТО приведено в табл. 3.

Таблица 3. Интенсивность эмиссии метана в атмосферу из естественных источников

Источники метана, длительность функционирования	Площадь эмиссии метана, км2	Интенсивность эмиссии в атмосферу, м3
		суточная, м3сут.∙км2	за время функционирования источника в течение года, м3
постоянно действующие
выделение метана в свободных газовых струях и вместе с водой сероводородных источников за год	30 000	16	1752∙105
сезонно действующие
эмиссия из СТС за 30 суток в начале теплого периода года	150 000	2∙10-4	900
сброс метана из СТС за 122 суток	150 000	2∙10-6	37
сброс метана из тающего ледового покрова озер за 30 суток	45 000	-	42∙107
эмиссия метана с поверхности озер в теплое время года за 152 суток	45 000	0,2	1,4∙106
Всего			42,1∙107

При массе 1 м3 метана в 717 г расчетный объем оценивается в 0,31 Тг. Для сравнения укажем, что эмиссия метана в атмосферу с поверхности западносибирских болот достигает 20 Тг при площади их примерно в 7 раз больше площади рассматриваемых озер ЦТО.

Обсуждение результатов исследования. Полученные данные представляют научно-прак-тический интерес в том отношении, что в криолитозоне на территории влияния Тихого океана основным генератором метана, поступающего в атмосферу, являются озера, а также слабопроточные речные рукава. Надо заметить, что болота, т.е. избыточно увлажненные земли с мощностью накопленного торфа свыше 0,5 м, в криолитозоне проморожены и сезонно оттаивают до глубины в среднем 0,5 м. Это отличает их от болот во внемерзлотных районах, где в торфогенном слое и ниже его существует восстановительная обстановка, благоприятная для жизнедеятельности бактерий в течение года. В СТС в талом состоянии господствует окислительная обстановка, при которой преобладает окисление углеводородных газов, в том числе и в тундре. Жизнедеятельность метангенерирую-щих бактерий возможна только при промерзании СТС, но длительность этого периода не более 3 месяцев при прогрессирующем сокращении объема талых образований и температуре их около 0°С. Следовательно, процесс генерации метана в СТС, как и его возможная зимняя аккумуляция на нефтегазоносных площадях, имеет геохимии-ческое значение, но слабо влияет на содержание этого газа в атмосфере. В этом отношении естественные потоки метана из недр на перспективных нефтегазоносных площадях суммарно представляют более значимый объект, однако и его значимость не следует преувеличивать. Как следует из результатов наших исследований, реальными «производителями» метана с последующей его эмиссией в атмосферу являются водоемы и слабопроточные участки рек. Во всех предшествующих работах не уделялось внимание тому факту, что более полугода водотоки и водоемы закрыты льдом, который аккумулирует газы, производимые бактериями, как в своей толще, так и непромерзающей подледной воде или в подледных донных, обычно органогенных образованиях. При этом ледовый покров является основной причиной возникновения восстановительной обстановки в подледной среде, где активизируется деятельность бактерий, генерирующих метан, водород, углекислый газ. Сброс накопленных за зимний период парниковых газов происходит не более чем за месяц. В пределах северного полушария данный процесс может формировать весеннее возрастание метана в тропосфере. Можно полагать, что описанные особенности функционирования источников атмосферного метана в ЦТО на Северо-Востоке России сходны с процессами генерации и эмиссии парниковых газов и во всех других областях криолитозоны.

Выводы: о бобщение материалов газогеохимических исследовании, проведенных в основном в последней четверти 20-го столетия, показывают, что реально значимым источником атмосферного метана в низменных районах ЦТО Северо-Востока России являются озера, преимущественно термокарстовые. Изучение годовой эмиссии метана в холодных регионах Земли должно проводиться с учетом сезонных изменений режима генерации парниковых газов в приповерхностных слоях и сброса их в атмосферу.