книги / Метан в водных экосистемах
..pdfмесяц
• • ®* * температур* — •— содержание СН4
• • ♦ • • кюл.02 t—□— мг.02 — -А— ceirr.02 — И— огт.02 - -О- • маВ.03 — - июл.ОЗ
Рис. 67. Сезонные колебания содержания метана в нижнем течении реки Дон: а - донные отложения (2000-2001 гг., ст.49); б - вода (2002-2003 гг., сеть Росгидромета), в - вода (1988-1989 гг., центр г. Ростов-на-Дону)
ным. Как показали предыдущие наблюдения [253, 261], зимой его значения близки к значениям, определённым в летний период.
Зимнее увеличение обусловлено большим количеством органи ки, поступившей в донные осадки после осеннего периода, т.е. по сле отмирания водорослей. В темные зимние месяцы потребление
питательных веществ бывает минимальным, и они накапливаются в придонной воде и донных осадках. В подледный период, в условиях ухудшающегося кислородного режима, большое количество пита тельных веществ стимулирует процессы метанобразования, что при повышенной растворимости метана и экранирующей роли льда спо собствует увеличению его концентраций.
Летний пик связывается с увеличением температуры воды и ак тивным использованием метаногенами легкоусваиваемых субстра тов, что на фоне ухудшающегося кислородного режима, резко акти визирует анаэробные процессы.
Проведенные исследования по изучению сезонных колебаний концентраций метана показали достаточно высокую чувствитель ность метаногенного сообщества к изменению погодных условий. Было установлено [253], что активному генерированию метана и по вышению его концентраций в водной толще и донных отложениях способствуют жаркая, сухая и безветренная погода. Период про ливных дождей, напротив, всегда оказывал понижающее воздейст вие на концентрацию метана в воде и отложениях.
Таким образом, полученные результаты показывают, что со держание метана величина достаточно изменчивая. Колебание зна чений связано с влиянием различных природных и антропогенных факторов, и в первую очередь обусловлено окислительно восстановительными условиями в отложениях, которые в свою оче редь зависят от содержания кислорода у дна. Дефицит кислорода у дна распространённое явление в реке Дон. Наиболее существенное снижение ОВП отложений отмечается в летний и зимний периоды, когда и наблюдаются наиболее высокие концентрации метана.
6.4. Моря
Согласно сводным данным (табл.56,57) содержание метана, растворённого в водах морей и океанов, варьирует в значительных пределах - от п-10'3 до п-103 мкл/л. В донных осадках диапазон из менения его концентраций ещё больше - от п-1O'® до п-102 мкг/г.
Распределение метана в зависимости от плотности и темпера туры морской воды, солёности, содержания кислорода, биологиче ской активности меняется не только по площади акватории и верти кали водного столба, но и колеблется в одной точке от сезона к се зону. В отдельных районах концентрация метана в поверхностной воде выше значения, равновесного с атмосферой и газ выделяется из воды, в других ниже и вода действует как растворитель атмо сферного метана.
Таблица 56 Содержание метана а воде и донных отложениях морей_________
Море |
Содержание метана |
|
|
вода, мкл/л |
осадки, мкг/г в.в. |
Азовское море: |
2,7-10,2 (5,2)* |
|
открытые районы |
0,02-1,76 (0,38) |
|
Таганрогский залив |
0,72-113,1 (10,3) |
0,1-18,6 (2,26) |
Темрюкский залив |
7,2-10,2 (8,4) |
|
районы грязевых вулканов |
18,9-74,2 (40,0) |
0,04-7,00 |
(г.Темрюк) |
||
Чёрное море |
|
|
Прикавкаэская зона моря: |
1,4-21,6 |
|
глубины до 2-х м |
|
|
глубины от 20 до 100 м |
1,3-5,0 |
0,03-0,40 |
Бухта Золотой Рог |
25,6-102,5 (51,0) |
- |
Прикавкаэская зона, глубины |
0,2-16,0 |
0,0003-0,0120 |
до 200 м |
0,7-8,5 |
|
Северо-западный шельф |
|
|
Глубоководные зоны |
0,02-314,0 |
|
Глубоководные зоны |
0,7-286,0 |
|
Глубоководные зоны: |
0,079 |
|
поверхность |
- |
|
глубина 2000 м |
170,0 |
|
Западная часть моря |
|
0,0056-16,3 (2,24) |
Чёрное море |
|
0,02-16,1 |
Чёрное море |
|
0,54-7,07 (3,3) |
Мраморное море |
3.9 |
|
Побережье Средиземного моря |
4,2-350,0 |
|
(г.Тартус, Сирия) |
|
|
Средиземное море (восточная |
|
|
часть): |
0,05-0,053 |
|
поверхность |
|
|
глубина 2000 м. |
0,062 |
|
Каспийское море |
0,1-3,3 (1,4) |
0,005-44,9 (0,01) |
Каспийское море |
- |
|
Каспийское море |
0,1-5,39 |
0,07-24,4 |
Каспийское море (район Апше- |
|
|
ронского порога), глубина 150 м |
|
0,01-3,15(0,72) |
Балтийское море (Центральная |
0,1-9,2 |
|
и Южная Балтика, зимний пе- |
|
|
риод) |
|
|
Балтийское море: |
|
0,00028-0,0056 |
открытые акватории |
|
|
Готландская впадина |
|
0,08-2,67(1,01) |
Рижский залив |
|
2,97-4,83 |
Вислинский залив |
|
0,13-212,3 |
Южная Балтика |
0,14-2,1 |
0,001-325,5 |
Балтийское море, общее |
0,02-6,24 (0,42) |
|
втом числе: |
0,03-0,74(0,18) |
|
полигон «Клайпеда» |
|
|
полигон «Рига» |
0,03-0,8 (0,26) |
|
район Рижского залива |
0,02-2,04 (0,28) |
|
полигон «Северо-восточная |
0,11-0,42(0.2) |
I |
часть Готландской впадины» |
|
|
Источник
данных
данные авторов тоже то же
то же то же
то же [239]
[146]
[203]
[344]
[359]
[73]
[111]
[97] данные авторов
то же
[359]
данные авторов [97]
[110]
[65]
[86,87]
[143,145]
[61]
[64]
Море |
Содержание метана |
|
|
вода, мкл/л |
осадки, мкг/гв.а. |
полигон «Арконская |
0,09-0,83 (0,34) |
|
впадина» |
|
|
полигон «Поморская бухта» |
0,15 |
|
полигон «Гданьский залив» |
0,08-2,28 (0,78) |
|
Готланская впадина |
0,02-3,42 (0,67) |
|
профиль по меридиану |
0,06-6,24 (0,78) |
|
(20е ад.) |
|
|
Охотское море: |
|
|
подводный склон |
0,003-0,107 |
|
о.Парамушир |
|
|
Одоптинское месторождение |
0,81-3,7 |
|
Сахалинский залив |
0,081-0,687 |
|
Охотское море: |
|
|
центральные районы, |
0,14 |
|
гл. 1180 м |
1,22 |
|
впадина Дерюгина, гл. 1480 м |
|
|
Южно-Охотская котловина, |
0,31 |
|
гл. 100 м |
|
|
Охотское море |
0,003-9,3 (0,69) |
|
Карское море: |
|
0,000035-0.00035 |
Байдарацкая губа |
3,2-3,6 |
|
Обская губа |
0,01-0.33 |
28,0 |
Карское море |
0,06-1,6 |
0,0003-0,17 |
Енисейский залив |
0,2-1,3 (0,7) |
0,00014-0,04 |
Карское море |
|
|
(открытое море): |
|
0,0003-0,002 |
напротив р. Енисей |
|
|
напротив р. Обь |
|
0,00007-0,009 |
эстуарий р.Обь-Карское море |
|
0,0001-6,97 (1,72) |
эстуарий р.Енисей - |
|
0,0001-0,21 (0,25) |
Карское море |
- |
0,00008-0,04 |
Баренцево море |
||
Баренцево море (северная |
0,05-0,18(0,12) |
0,0007-0,014 |
часть, зимний сезон) |
0,98 |
|
Западная часть Норвежского |
|
|
моря, гл. 3196 м. |
0,03-5879,0 |
|
Норвежское море, кальдера |
|
|
грязевого вулкана Хаакон |
|
|
Мосби, холодный сип |
|
|
Норвежское море, кальдера |
|
2,1 |
грязевого вулкана Хаакон |
|
|
Мосби, холодный сип |
|
|
Берингово море |
- |
0,17-11,1 |
Берийгово море |
0,1-0,65 |
|
Эстуарий р. Анадырь - |
1,80-1,64 |
|
Берингово море |
|
|
Аравийское море: |
0,052 |
|
поверхность |
|
|
глубина 500 м |
0,043 |
- |
Источник
данных
[91
[65]
[601
[231
[183]
тоже
[1481
[1071
[216]
[359]
[147]
[204]
[74]
[183]
[8]
[359]
Море |
Содержание метана |
Источник |
|
|
вода, мкл/л |
осадки, мкг/г в.в. |
данных |
Красное море; |
58,00 |
- |
[65, 59] |
глубина 2050 м |
|
|
|
впадина Сагор |
2,86 |
|
|
впадина Атлантис, гл.2190 м |
200,0 |
|
|
впадина Дискавери, гл.2170 м |
21,90 |
|
|
Красное море, поверхность |
0,048 |
|
[359] |
Саргассово море, |
0,041-0,045 |
|
то же |
поверхность |
|
|
|
Карибское море; |
0,041-0,044 |
|
то же |
поверхность |
|
|
|
впадина Кариако, поверх |
0,042-0,057 |
|
|
ность |
|
|
|
впадина Кариако, гл. 1300 м |
160,0 |
|
|
Японское море, гл. 2510 м |
0,03 |
|
[65] |
Амурский залив Японского |
0,1-2,0 (0,75) |
|
данные авторов |
моря |
|
|
|
Двинская губа Белого моря |
1,0 |
- |
то же |
* - в скобках - среднее значение |
|
|
|
Таблица 57 Содержание метана в воде и донных отложениях океанов
Водный объект |
Содержание метана |
|
|
вода, мкл/л |
осадки, мкг/г в.в. |
Тихий и Атлантический океан |
0,008-0,031 |
- |
Северная часть Атлантического океана |
- |
0,00017-0,03 |
Северная Атлантика |
0,05-0,06 |
|
Северная часть Атлантики, гл. 500 м |
0,05 |
|
Западно-тропическая часть Северной |
0,037-0,05 (0,04)* |
|
Атлантики, поверхность (гл. 5000 м) |
|
4,2 |
Атлантический океан |
- |
|
Атлантический океан в районе впаде |
0,01-3,1 (0,42) |
0,0005-12,1 |
ния р. Конго |
|
6,37 |
Чесапикский залив (Атлант, океан) |
- |
|
Чесапикский залив (Атлант, океан) |
37,3-61,3 (50,4) |
0,01-1,1 |
Мексиканский залив, береговые мар |
|
|
ши Луизианы (Атлантический океан) |
0,03-0,28 |
|
Мексиканский залив, поверхность |
|
|
Центральная часть Мексиканского |
0,05-0,152 (0,09) |
|
залива, поверхность |
|
|
Мексиканский залив: |
0,053 |
|
поверхность |
|
|
глубина 3550 м |
0,02 |
|
Залив Валвис Бэй, побережье |
0,7-13.7 |
|
Намибии (Атлантический океан) |
- |
0,02-2,02 (0,31) |
Тихий океан |
||
Центральная область Тихого океана, |
0,003 |
|
гл. 4200 м |
|
|
Источник
данных
И
[97]
[358] то же тоже
[383]
[199,200]
[383]
[358]
[409,383]
[3]
[309,332,402]
[359]
[391]
[97]
[358]
Водный объект |
Содержание метана |
Источник |
|
|
вода, мкл/л |
осадки, мкг/г в.в. |
данных |
Восточно-тропическая область се- |
|
|
верной части Тихого океана: |
0,04-0,056 (0,047) |
|
поверхность |
|
|
глубина 500 м |
0,016 |
- |
Тихий океан,’подводная периферия |
- |
10,2 |
Северная и южная часть Тихого |
0,042 |
- |
океана * |
|
0,000007-0,0012 |
Возвышенность Хесса, разлом Me- |
|
|
рей, северо-восточная котловина |
|
|
Тихого океана |
0,06 |
0,0004-0,006 |
Континентальный склон Северной |
||
Америки |
0,6-41,4 |
|
Токийский залив (Тихий океан) |
|
|
Район побережья Тихого океана, |
|
|
штат Орегон, эстуарии: |
0,130-15,9 |
|
Элси Бэй |
|
|
Якуина Бэй |
0,185-7,38 |
|
Салмон Бэй |
2,81-7,38 |
|
Гидротермальное поле Рэйнбоу |
|
|
Срединно-Атлантического хребта: |
|
|
плюм (водная толща) |
0,095-0,8 (0,23) |
|
«чёрные дымы» над активными |
1,05-70,6 (3,94) |
|
курильщиками |
0,8-691,0 (178,2) |
- |
гидротермальный флюид |
||
гидротермальные осадочные |
|
0,245-64,4 (1,7) |
отложения поля Рэйнбоу |
|
|
Гидротермальные районы Гуаймас и |
|
|
Хуан-де-Фука: |
|
|
гидротерма 100°С |
166,0 |
|
гидротерма 10°С |
6222,0 |
|
гидротерма 3°С |
8462,0 |
|
более 100 м от гидротермы: |
|
|
дно' |
1,8-1.9 |
|
160 м над дном |
____ ______ |
- |
[358]
[322]
[358]
[21]
тоже
[404]
[297]
[201]
[52]
•- вскобкахсреднее значение
Вводной толще и донных осадках внутренних (средиземных) морей концентрация метана на порядок (и более) выше, чем в окра инных морях, а в последних выше, чем в открытом океане (табл.58). Одновременно в прибрежных районах океанов и морей содержание метана обычно выше (иногда на 1-3 порядка), чем на открытых уча стках, что обусловлено наибольшими величинами поступления и накопления органического вещества в донных осадках прибрежных районов. В центральных частях величины накопления органического вещества, как правило, более чем в 2 раза меньше, чем на перифе рии. В прибрежных районах выше не только первичная биопродук ция органического вещества, но и его поступление с суши. Именно
Таблица 58 Пределы изменения содержания метана в водной толще открытого
океана, внутренних и окраинных морей
Объект
Открытый океан Окраинные моря Внутренние (средиземные моря)
Примечание; п - 1-9
Содержание метана
вода, мкл/л |
осадки, мкг/г |
п-10'3-п -10'1 |
п-10‘в- п |
п-10'3- п . |
п-10'5- п-101 |
п-10'2- п Ю 2 |
п -Ю ^-п-102 |
здесь в застойных условиях возникает дефицит кислорода, как ре зультат интенсивного поступления и частичного разложения органи ческих веществ, которые в прибрежных районах менее минерализо ваны, а поэтому й в более реакционном состоянии поступают в дон ные отложения. Наиболее богатыми органическими веществами оказываются илы губ, заливов и эстуариев. Именно поэтому на та ких участках интенсивность процесса метанообразования, а также содержание метана на несколько порядков выше, чем в открытых районах.
Наиболее высокие концентрации метана фиксируются в зонах смешения речных и морских вод, где наблюдается активное осаж дение тонких взвешенных частиц. Здесь происходят значительные по масштабам процессы флоккуляции и коагуляции растворённых и взвешенных веществ, дополняющиеся усиленной биоассимиляцией
ибиофильтрацией [43], в результате которых в устьях рек и зонах впадения осаждается 93-95 % от взвешенных и 20-40 % от раство рённых веществ речного стока [212].
Втех случаях, когда в прибрежных зонах или областях, приле гающих к устьям рек, вследствие активного гидродинамического ре жима наблюдается размыв и переотложение осадков или нулевые скорости седиментации, основное количество тонкого терригенного
иорганического материала выносится в более глубоководные рай оны (на периферию мелководных участков, в глубоководные желоба
ивпадины), где и будут фиксироваться повышенные концентрации метана в донных осадках и придонной воде. И здесь интересны данные, полученные Н.В. Пименовым с соавторами [199,200] в ходе исследований, проведённых в районе впадения в Атлантический океан р. Конго, занимающей по площади бассейна и водоносности второе место в мире после Амазонки. Район впадения реки Конго расположен в зоне лавинной седиментации [151], куда с речным стоком поступает огромное количество взвеси, обогащённой орга ническим материалом и биогенами. Благодаря глубоководному
каньону, который тянется до основания материкового склона, взвесь не только рассеивается по шельфу, но и выносится далеко в океан. Влияние реки по микробиологическим показателям прослеживается в океане вплоть до основания материкового склона (500 миль). Мак симальные концентрации метана в осадках фиксируются не непо средственно в зоне впадения р. Конго, а на значительном удалении от неё, где глубины составляют 4000-5000 м. Распределение со держания метана в отложениях коррелирует с содержанием Сорг
|
В |
открытых |
частях |
||||
|
океана |
и морей |
кон |
||||
|
центрация метана |
в |
|||||
|
поверхностном |
слое |
|||||
|
воды |
очень |
низкая, |
||||
|
нередко меньше зна |
||||||
|
чения, |
равновесного |
|||||
|
с |
атмосферой. |
|
По |
|||
Сорг, % на вес сухого ила |
направлению |
ко дну |
|||||
его |
концентрация |
в |
|||||
Рис.68. Зависимость между содержанием Сорг s донных |
|||||||
зависимости |
от |
гид |
|||||
осадках и концентрацией в них метана, район |
рологических |
и |
гид |
||||
выноса реки Конго (построена по данным [200]). |
|||||||
|
рохимических |
|
усло |
||||
вий может, как увеличиваться, так и уменьшаться. По обобщению А.А. Геодекяна и др. [165], выделяются три основных типа распре деления углеводородных газов в толще вод. Первый тип распреде ления, свойственный открытым районам океанов и морей характе ризуется малым содержанием метана, уменьшением его от поверх ности ко дну и отсутствием других газообразных углеводородов. Второй тип встречается в толще вод сероводородсодержащих бас сейнов, выделяется общим повышенным содержанием углеводоро дов (нередко на 2-3 порядка) при увеличении концентрации с глуби ной в сероводородной зоне. Третий тип отличается приповерхност ным и придонным максимумами концентраций и их снижением в промежуточных водных массах. Все три типа вертикального распре деления углеводородов обладают общей чертой: в зоне термокли на, вблизи подошвы интенсивного развития хлорофилльных водо рослей (30-50 м), концентрации повышены в 2-5 раза по сравнению с поверхностной водой, что объясняют накоплением газообразных углеводородов в воде при активизации биохимических процессов. Сезонные изменения нахождения термоклина приводят к измене нию глубины максимума содержания углеводородных газов.
В колонках осадков океанов и морей наиболее часто фиксиру ется два типа распределения концентраций метана. Для первого
типа характерны низкие концентрации метана, слабо увеличиваю щиеся с глубиной. Второй тип распределения отличается высокими содержаниями и градиентами метана в середине и низах колонок осадков. В отдельных случаях максимум наблюдается в верхних слоях осадков (до 10 см) или отмечается несколько максимумов в толще отложений.
Повышенные содержания метана в придонных водах, помимо процесса диагенетического преобразования органических веществ в верхних горизонтах осадков, а также разложения органических ве ществ анаэробными бактериями в водной толще, могут быть связа ны с гидротермальной активностью, с разгрузкой нефтегазовых ме сторождений, с разрушением кристаллогидратов этого газа в верх нем слое донных осадков. При этом, как отмечается в работе [9], наличие нефтегазоносных структур обеспечивает постоянный и бо лее мощный приток метана в придонную воду по сравнению, с про цессами разрушения слоя кристаллогидратов. В последнем случае появление газовых аномалий связано с цикличностью сейсмической активности на локальных участках. Что касается гидротерм, то по данным авторов [9], в Охотском море в районе низкотемпературной гидротермы в придонной воде наблюдается увеличение содержания метана до 100 раз.
В области разломов и действующих вулканов, также наблюда ется возрастание концентрации метана в придонных водах. И здесь примечательны данные, полученные в ходе исследований грязевого вулкана Голубицкий (южная часть Азовского моря, КерченскоТиманская зона диапировой складчатости), в один из периодов его активной деятельности (август 1995 г.) [251]. Грязевулканическая деятельность этого вулкана в данный период в начале (-1 августа) проявилась подводным выделением газов и вулканической грязи, что отмечалось по газовым пузырям и увеличению мутности мор ской воды в 150-200 м от берега по дуге, концы которой не доходили до береговой линии На 60-100 м. Выбросы имели различную интен сивность во времени.. Грязевулканический конус малых размеров 5 раз в течение нескольких дней появлялся над поверхностью моря в 150 м от берега севернее грязелечебного озера и размывался вол нами.
9 августа в 7 часов 45 минут произошла разгрузка внутренних напряжений вулкана, нашедшая себе выход в 150 м к северу от бе реговой линии в акватории Темрюкского залива.
Фонтан из грязи, глыб, воды и газов поднялся на 50 м, что про должалось в течение 30 минут. После этого наблюдался излив гря зевых масс из жерла вулкана, которое сформировалось в виде ко нуса высотой 2-2,5 м.
гзз
Через сорок минут после первого выброса началось извержение вдвое слабее первого, длившееся 10-15 минут.
В результате образовался вулканический остров (конус выбро са) высотой около 5 м, который в дальнейшем расплылся и осел; на 19 часов 12 августа его размеры ориентировочно составляли: длина 100 м, ширина 50 м, высота 3 м. Произошло оседание грунтов, в ре зультате образовалась зона поствулканического оседания пород ориентировочно шириной с севера на юг 360 м и длиной 600 м. Наиболее ярко оседание грунтов выражено к юго-востоку от острова по дуге: берег моря - б/о "Чайка1! - грязелечебное озеро. Видимое смещение грунтов достигает 20-25 см.
На грязевулканическом острове обнаружено центральное жер ло, представляющее собой грязевой конус высотой 25 см, диамет ром 1 м, из которого продолжали выделяться грязь и газы. По пери метру острова обнаружены 5 боковых грифонов. К северу и западу из грифонов выделялись вода и газ.
Во время посещения вулканического острова по методике [328] были отобраны пробы воды и ила в районе вулкана и на фоновых участках. Оказалось, что на фоновых участках в воде содержание метана варьирует в пределах 2,7-3,0 мкп/л, в илах эта величина со ставляет 0,13 мкг/г ила (табл.59). В воде вблизи грязевого вулкана содержание метана увеличилось в 6-9 раз, причем самое высокое содержание отмечено в пробе, которая была взята под водой из га зовых струй, поступающих со дна моря (проба 62).
|
|
|
|
Таблица 59 |
|
Содержание метана в воде и сопочной грязи в районе |
|||
|
|
вулкана Голубицкий (по [251]) |
|
|
N |
Дата |
Вода, ил, |
|
|
пробы |
отбора |
сопочная грязь |
Содержание СН4 |
Примечание |
59 |
проб |
|
|
|
12.09.88 |
морская вода |
2,7 мкл/л |
фон, 5 км от вулкана |
|
59ил |
12.09.88 |
ил с запахом H2S |
0,13 мкг/г влажного ила |
то же |
63 |
12.09.88 |
морская вода |
19,9 мкл/л |
вулкан |
бЗил |
15.09.88 |
сопочная грязь |
10,0 мкг/г влажного ила |
то же |
61 |
15.09.88 |
морская вода |
3,5 мкл/л |
фон, в 20 км от вулкана |
60 |
15.09.88 |
морская вода |
3,0 мкл/л |
фон, в 300 м от вулкана |
62 |
15.09.88 |
морская вода |
27,0 мкл/л |
вулкан |
Почти на два порядка отличается содержание метана в донных отложениях Азовского моря и в вулканической грязи (пробы 59ил и бЗил). В свете изложенного вполне естественно увязать наблюдае мое увеличение содержания метана в морской воде и илах в районе острова с вулканической деятельностью. Не исключено, что рост содержания метана здесь начинается еще задолго до пробуждения