Потепління в Арктиці може привести до викидів стародавнього метану

Потепління в Арктиці може привести до викидів стародавнього метану

Павло Сєров,
Арктичний університет Норвегії в Тромсе, випускник геологічного факультету Санкт-Петербурзького університету
"Коммерсант Наука" №6, вересень 2017

Гідрати метану зовні нагадують спресований сніг. Як тільки тиск зменшується, а температура підвищується, вони розпадаються на горючий метан і воду. Фото: Павло Сєров

Заледеніння залишило під дном Арктики величезні скупчення парникового газу метану в формі гідратів. Далі за всіх в дослідженні цих древніх структур просунулася група вчених Центру з вивчення арктичних газових гідратів, навколишнього середовища та клімату Арктичного університету Норвегії, в складі якої працює росіянин.

Вчені продовжують відкривати все нові і нові ділянки континентальних околиць Арктики, де в водну товщу виділяються бульбашки метану. Походження газу і геологічні процеси, які контролюють його виділення, залишаються неясні. Одним з джерел надходить на дно Арктичного басейну метану можуть бути розкладаються газові гідрати.

Гідрати метану зовні нагадують спресований сніг, хоча мають кристалічну структуру, де молекула метану міститься всередині "решітки", сконструйованої з молекул води.Грати стабільні при високому тиску і низькій температурі (якраз такі умови панують на багатьох континентальних околицях) і розпадаються, як тільки термобарические умови перестають задовольняти цим критеріям. Інтервал геологічного розрізу, в якому температура досить низька, а тиск досить велике для освіти і підтримки газових гідратів, називається зоною стабільності. І якщо частина геологічного розрізу виходить із зони стабільності, гідрати починають розкладатися, виділяючи значну кількість метану (1 см3 газового гідрату містить 160 см3 метану в газоподібному формі). Таким чином, газові гідрати можуть бути і ефективним конденсатором метану, і його потужним джерелом – в залежності від температури і тиску на морському дні.

Метан – парниковий газ, його внесок в загальний парниковий ефект оцінюється в 4-9% і за значимістю поступається лише вуглекислого газу і парам води

Дослідження [Graves et al., 2015; Myhre et al., 2016 року; Steinle et al., 2015] показують, що лише незначна частина метану, поступово виділяється з морського дна в водну товщу, при нормальних умовах досягає атмосфери. Метан розчинний і активно окислюється в донних опадах і воді.Однак в разі аномально швидкого викиду великого обсягу газу не виключено, що істотна його частина, яка встигла деградувати, подолає водну товщу і досягне атмосфери.

На відміну від поступових виходів метану на дно (сипів), викиди вкрай складно спостерігати – вони виникають епізодично. Не виключено, що викиди метану формують специфічні структури на морському дні, вивчивши які, можна з'ясувати, коли і за яких умов викиди відбулися. Розуміння часу і масштабу подібних явищ вкрай важливо для оцінки їх внеску в минулі і майбутні кліматичні зміни.

Центру з вивчення арктичних газових гідратів, навколишнього середовища та клімату (CAGE) в Арктичному університеті Норвегії (UiT) в місті Тромсе вдалося виявити і вивчити дві ділянки Баренцева моря, де геологічна історія останніх 35 тис. Років спровокувала великі викиди метану, що змінили морське дно.

Кратери в чіпаючи Бьернойренна

Мал. 1. Кратери на дні трога Бьернойренна. Розташування районів досліджень (а), Рельєф дна за даними багатопроменевого ехолота (б)

На глибині 320-340 м морське дно поцятковано величезними кратерами (понад 100), що досягають 1 км в діаметрі і 30 м в глибину (рис. 1).Численні потоки бульбашкового метану беруть початок як з кратерів, так і з навколишнього їх дна (рис. 2). На 3D-сейсмічних даних простежується система розломів, що підводять до місць виходу газу. Кратери – структури унікальні і поки не пояснені. Важливо, що вони вироблені в твердих корінних породах, вкрай несхожих на типово м'яке мулисте морське дно.

Мал. 2. Виділення бульбашкового газу (газові факели) і система підвідних розломів в чіпаючи Бьернойренна

24 тис. Років тому сучасне Баренцове море було покрито суцільним льодовиковим покривом. Баренцевоморского крижаний покрив знаходився в постійному русі, аналогічно сучасним льодовиках. У міру руху льоду з центральної частини Баренцевоморского шельфу до його периферії вморожені в підошву льодовика уламки порід зішкрібали пухкий осадовий чохол, оголюючи більш міцні тріаси корінні осадові породи. Саме ці породи, локально покриті тонким (до 0,5 м) шаром морських опадів, відклалися після танення льодовика, і формують сьогоднішнє морське дно.

Під час останнього заледеніння під впливом тиску льодовика і низької температури його підошви в підстилаючих гірських породах могла сформуватися зона стабільності газових гідратів.Подальше танення Баренцевоморского льодовика зняло величезну частку тиску з морського дна і могло привести до масштабного розкладанню гідратів. Виникло питання, чи не є кратери наслідками повного або часткового розкладання газових гідратів, раніше утворених і законсервованих під льодовиковим покривом.

Танення Баренцевоморского льодовика зняло величезну частку тиску з морського дна і могло привести до масштабного розкладанню гідратів

Моделювання льодовикового покриву і газових гідратів

Щоб відповісти на це питання, необхідно зрозуміти, як довго льодовик покривав шельф, яка його потужність, температура підошви, як змінювалася глибина і температура моря після заледеніння. Потім необхідно розрахувати зміна товщини зони стабільності газових гідратів на протязі 35 тис. Років, яка прямо залежить від вищезазначених параметрів. Для цього ми поєднали дві чисельні моделі – модель еволюції льодовика [Patton et al. 2017], що спирається на натурні дані про ізостатичному прогибании земної кори і палеокліматичні дані, і модель зони стабільності газових гідратів, засновану на розрахунку теплопереносу та вільної енергії Гіббса.

Розрахунки показали, що льодовик товщиною до 2 км покривав дно Бьернойренни починаючи мінімум з 30 тис. І до 16 тис. Років тому. Це дійсно сформувало зону стабільності газових гідратів потужністю до 440 м (рисунок 3а). Льодовиковий покрив в районі, де зараз розташовуються кратери, зник приблизно 16 тис. Років тому, ознаменувавши різкий перехід до морських умов з більш високою температурою на дні і меншим тиском водної товщі, ледь сягала 300 м. Зміна термобаричних умов викликало деградацію зони стабільності газових гідратів за рахунок поступового підняття її нижньої межі. Вивільнилися у підошви зони стабільності газ накопичувався під тоншає шаром газових гідратів. Метан міг частково проникати в залишилася зону стабільності, підживлюючи гідратоутворення в приповерхневих шарах. Таким чином, поблизу верхньої межі зони стабільності зміст гідратів збільшувалася за рахунок метану, який вивільнився при їх деградації на глибині. Збільшення обсягу в зв'язку з утворенням нових гідратів і напором вільного газу, накопичується під гідратний шаром, могло викликати спучування морського дна і освіту газогідратних пінг – пагорбів, що складаються з відкладень з високим вмістом газового гідрату [Paull et al., 2007; Serie et al., 2012].Досягнувши критичного рівня, тиск газу під постійно тоншає покришкою газових гідратів могло викликати розрив перекривають пластів і великий викид метану (рис. 3г і 3д). Зруйновані породи дна розмивалися під впливом придонних течій і оформляли сучасні обриси кратерів.

Мал. 3. Модель формування підводних кратерів: а – зміна товщини льодовикового покриву і зони стабільності газових гідратів; б – утворення газових гідратів під льодовиком; в – зростання газогідратного пінг в морських умовах; г – прорив приповерхневих шарів під впливом аномально високого пластового тиску; д – залишкове виділення метану

Наша концептуальна модель формування кратерів могла мати місце в межах відносно вузького часового інтервалу – між зникненням льодовикового покриву 16 тис. Років тому і значним скороченням зони стабільності газових гідратів 11 тис. Років тому (рис. 3). Наявність в кратерах слідів волочіння айсбергів, які відколювались від відступаючого льодовикового покриву 15 000-11 600 років тому [Andreassen et al., 2014], підтверджує наші тимчасові оцінки.

Газогідратні пінг в чіпаючи Стурфьордренна

У 400 км на північний захід на глибині близько 380 м ми виявили групу структур, на перший погляд зовсім не пов'язаних з кратерами. Специфічні пагорби на морському дні, кожен з яких вінчається виключно інтенсивними струменями бульбашок метану, виявилися насичені газовими гідратами (рис. 4). Цікаво, що ми не знайшли газових гідратів в опадах навколишнього дна – виключно в межах пагорбів. Пагорби, що досягають 500 м в діаметрі і 10 м у висоту (рис. 4), безумовно є газогідратних пінг, аналогічними тим, що, ймовірно, передували утворенню кратерів в чіпаючи Бьернойренна.

Мал. 4. Газогідратні пінг в чіпаючи Стурфьордренна. Зліва направо: зразок газового гідрату; пінг 2 і потоки бульбашкового метану (газові факели) за даними багатопроменевого ехолота; центральний кластер газогідратних пінг і шляхи міграції газу через донні відкладення і товщу води. Точками різних кольорів показані концентрації розчиненого метану на різних горизонтах водної товщі; пінг 5 і газові факели; потік бульбашкового метану в придонному шарі

Застосувавши нашу здвоєну модель еволюції льодовикового покриву і зони стабільності газових гідратів,ми з'ясували, що аналогічно кратерів, територія, де зараз розташовані пінг, під час останнього льодовикового максимуму була покрита льодовиком (рис. 5). Ця частина Стурфьордренни позбулася льодовикового покриву вже 21 тис. Років тому, після чого реліктова зона стабільності гідратів проіснувала ще близько 6 тис. Років. Ми припускаємо, що еволюція шару газових гідратів за сценарієм, наведеним для Бьернойренни, привела до формування газогідратних пінг в Стурфьордренне.

Мал. 5. Зміни потужності льодовикового покриву і зони стабільності газових гідратів в Стурфьордренне протягом останнього льодовикового циклу

Таким чином, ми виявили існуючі активні газогідратні пінг, аналогічні тим, що, як ми вважаємо, передували кратерів в Бьернойренне. Основною причиною, чому пінг до сих пір не коллапсировать, є велика глибина моря (380 м в Стурфьорденне і всього 330 м в Бьернойренне), що на протязі післяльодникової загальмовує розкладання гідратів. Крім того, періодичні зниження температури придонних вод в Стурфьордренне викликали появи зони стабільності гідратів і в післяльодникової (рис. 5).Гідрати в пінг стабільні і зараз. Більш того, спостерігаються сьогодні пінг розташовані в районі з більшою потужністю пухких відкладень, схильних до пластичної деформації. Кратери ж, навпаки, перебувають у твердих породах, вкрай схильних до тендітної деформації і розтріскування. Ймовірно, відмінності фізико-географічних і літологічних умов призвело до того, що метанова система в Стурфьордренне знаходиться на більш ранній стадії пінг, в той час як в Бьернойренне пінг вже коллапсировать і утворили кратери.

При відступі льодовикових покривів драматичні зміни температури і тиску можуть викликати великі і непередбачені викиди метану

Наші дослідження – важливий крок до розуміння процесів консервації та викидів метану, контрольованих льодовиковими циклами. При відступі льодовикових покривів драматичні зміни температури і тиску можуть викликати великі і непередбачені викиди метану. Багато ділянок арктичного шельфу були покриті льодовиками і містять величезну кількість вуглеводнів (в тому числі метану) – їх внесок в атмосферне бюджет парникових газів може бути недооцінений.Запропонований нами сценарій може бути актуальним у зв'язку з триваючим активним скороченням льодовикових покривів Гренландії і Антарктиди.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: