Оледенение оставило под дном Арктики огромные скопления парникового газа метана в форме гидратов. Дальше всех в исследовании этих древних структур продвинулась группа ученых Центра по изучению арктических газовых гидратов, окружающей среды и климата Арктического университета Норвегии, в составе которой работает россиянин.
Гидраты метана внешне напоминают спрессованный снег. Как только давление уменьшается, а температура повышается, они распадаются на горючий метан и воду
Фото: Павел Серов
Ученые продолжают открывать все новые и новые участки континентальных окраин Арктики, где в водную толщу выделяются пузырьки метана. Происхождение газа и геологические процессы, контролирующие его выделение, остаются неясны. Одним из источников поступающего на дно Арктического бассейна метана могут быть разлагающиеся газовые гидраты.
Гидраты метана внешне напоминают спрессованный снег, хотя обладают кристаллической структурой, где молекула метана заключена внутри "решетки", сконструированной из молекул воды. Решетки стабильны при высоком давлении и низкой температуре (как раз такие условия господствуют на многих континентальных окраинах) и распадаются, как только термобарические условия перестают удовлетворять этим критериям. Интервал геологического разреза, в котором температура достаточно низка, а давление достаточно велико для образования и поддержания газовых гидратов, называется зоной стабильности. И если часть геологического разреза выходит из зоны стабильности, гидраты начинают разлагаться, выделяя значительное количество метана (1 см3 газового гидрата содержит 160 см3 метана в газообразной форме). Таким образом, газовые гидраты могут быть и эффективным конденсатором метана, и его мощным источником — в зависимости от температуры и давления на морском дне.
Метан — парниковый газ, его вклад в общий парниковый эффект оценивается в 4-9% и по значимости уступает только углекислому газу и парам воды.
Исследования [Graves et al., 2015; Myhre et al., 2016; Steinle et l., 2015] показывают, что лишь незначительная часть метана, постепенно выделяющегося из морского дна в водную толщу, при нормальных условиях достигает атмосферы. Метан растворим и активно окисляется в донных осадках и воде. Однако в случае аномально быстрого выброса большого объема газа не исключено, что существенная его часть, не успев деградировать, преодолеет водную толщу и достигнет атмосферы.
В отличие от постепенных выходов метана на дно (сипов), выбросы крайне сложно наблюдать — они возникают эпизодически. Не исключено, что выбросы метана формируют специфические структуры на морском дне, изучив которые, можно выяснить, когда и при каких условиях выбросы произошли. Понимание времени и масштаба подобных явлений крайне важно для оценки их вклада в прошлые и будущие климатические изменения.
Центру по изучению арктических газовых гидратов, окружающей среды и климата (CAGE) в Арктическом университете Норвегии (UiT) в городе Тромсе удалось обнаружить и изучить два участка Баренцева моря, где геологическая история последних 35 тыс. лет спровоцировала обширные выбросы метана, изменившие морское дно.
Кратеры в троге Бьернойренна
На глубине 320-340 м морское дно испещрено огромными кратерами (более 100), достигающими 1 км в диаметре и 30 м в глубину (рис. 1). Многочисленные потоки пузырькового метана берут начало как из кратеров, так и из окружающего их дна (рис. 2). На 3D-сейсмических данных прослеживается система разломов, подводящих к местам выхода газа. Кратеры — структуры уникальные и пока не объясненные. Немаловажно, что они выработаны в твердых коренных породах, крайне непохожих на типично мягкое илистое морское дно.
Рис. 1. Кратеры на дне трога Бьернойренна. Расположение районов исследований (а), рельеф дна по данным многолучевого эхолота (б)
Рис. 1. Кратеры на дне трога Бьернойренна. Расположение районов исследований (а), рельеф дна по данным многолучевого эхолота (б)
24 тыс. лет назад современное Баренцево море было покрыто сплошным ледниковым покровом. Баренцевоморский ледяной покров находился в постоянном движении, аналогично современным ледникам. По мере движения льда из центральной части баренцевоморского шельфа к его периферии вмороженные в подошву ледника обломки пород соскребали рыхлый осадочный чехол, обнажая более прочные триасовые коренные осадочные породы. Именно эти породы, локально покрытые тонким (до 0,5 м) слоем морских осадков, отложившихся после таяния ледника, и формируют сегодняшнее морское дно.
Рис. 2. Выделения пузырькового газа (газовые факелы) и система подводящих разломов в троге Бьернойренна
Рис. 2. Выделения пузырькового газа (газовые факелы) и система подводящих разломов в троге Бьернойренна
Во время последнего оледенения под воздействием давления ледника и низкой температуры его подошвы в подстилающих горных породах могла сформироваться зона стабильности газовых гидратов. Последующее таяние баренцевоморского ледника сняло огромную долю давления c морского дна и могло привести к масштабному разложению гидратов. Возник вопрос, не являются ли кратеры последствиями полного или частичного разложения газовых гидратов, ранее образованных и законсервированных под ледниковым покровом.
Моделирование ледникового покрова и газовых гидратов
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо понять, как долго ледник покрывал шельф, какова его мощность, температура подошвы, как изменялась глубина и температура моря после оледенения. Затем необходимо рассчитать изменение толщины зоны стабильности газовых гидратов на протяжении 35 тыс. лет, напрямую зависящей от вышеупомянутых параметров. Для этого мы совместили две численные модели — модель эволюции ледника [Patton et al., 2017], опирающуюся на натурные данные об изостатическом прогибании земной коры и палеоклиматические данные, и модель зоны стабильности газовых гидратов, основанную на расчете теплопереноса и свободной энергии Гиббса.
Расчеты показали, что ледник толщиной до 2 км покрывал дно Бьернойренны начиная минимум с 30 тыс. и до 16 тыс. лет назад. Это действительно сформировало зону стабильности газовых гидратов мощностью до 440 м (рисунок 3а). Ледниковый покров в районе, где сейчас располагаются кратеры, исчез примерно 16 тыс. лет назад, ознаменовав резкий переход к морским условиям с более высокой температурой на дне и меньшим давлением водной толщи, едва достигавшей 300 м. Изменение термобарических условий вызвало деградацию зоны стабильности газовых гидратов за счет постепенного поднятия ее нижней границы. Высвободившийся у подошвы зоны стабильности газ скапливался под тончающим слоем газовых гидратов. Метан мог частично проникать в оставшуюся зону стабильности, подпитывая гидратообразование в приповерхностных слоях. Таким образом, вблизи верхней границы зоны стабильности содержание гидратов увеличивалось за счет метана, высвободившегося при их деградации на глубине. Увеличение объема в связи с образованием новых гидратов и напором свободного газа, скапливавшегося под гидратным слоем, могло вызвать вспучивание морского дна и образование газогидратных пинго — холмов, состоящих из отложений с высоким содержанием газового гидрата [Paull et al., 2007; Serie et al., 2012]. Достигнув критического уровня, давление газа под постоянно утончающейся покрышкой газовых гидратов могло вызвать разрыв перекрывающих пластов и обширный выброс метана (рис. 3 г и 3 д). Разрушенные породы дна размывались под воздействием придонных течений и оформляли современные очертания кратеров.
Модель формирования подводных кратеров: а — изменение толщины ледникового покрова и зоны стабильности газовых гидратов; б — образование газовых гидратов под ледником; с — рост газогидратного пинго в морских условиях; д — прорыв приповерхностных слоев под воздействием аномально высокого пластового давления; е — остаточное выделение метана
Модель формирования подводных кратеров: а — изменение толщины ледникового покрова и зоны стабильности газовых гидратов; б — образование газовых гидратов под ледником; с — рост газогидратного пинго в морских условиях; д — прорыв приповерхностных слоев под воздействием аномально высокого пластового давления; е — остаточное выделение метана
Наша концептуальная модель формирования кратеров могла иметь место в пределах относительно узкого временного интервала — между исчезновением ледникового покрова 16 тыс. лет назад и значительным сокращением зоны стабильности газовых гидратов 11 тыс. лет назад (рис. 3). Наличие в кратерах следов волочения айсбергов, которые откалывались от отступающего ледникового покрова 15 000-11 600 лет назад [Andreassen et al., 2014], подтверждает наши временные оценки.
Газогидратные пинго в троге Стурфьордренна
В 400 км к северо-западу на глубине около 380 м мы обнаружили группу структур, на первый взгляд совсем не связанных с кратерами. Специфические холмы на морском дне, каждый из которых венчается исключительно интенсивными струями пузырей метана, оказались насыщены газовыми гидратами (рис. 4). Любопытно, что мы не нашли газовых гидратов в осадках окружающего дна — исключительно в пределах холмов. Холмы, достигающие 500 м в диаметре и 10 м в высоту (рис. 4), определенно являются газогидратными пинго, аналогичными тем, что, вероятно, предшествовали образованию кратеров в троге Бьернойренна.
Рис. 4. Газогидратные пинго в троге Стурфьордренна. Слева направо: образец газового гидрата; пинго 2 и потоки пузырькового метана (газовые факелы) по данным многолучевого эхолота; центральный кластер газогидратных пинго и пути миграции газа через донные отложения и толщу воды. Точками разных цветов показаны концентрации растворенного метана на различных горизонтах водной толщи; пинго 5 и газовые факелы; поток пузырькового метана в придонном слое
Рис. 4. Газогидратные пинго в троге Стурфьордренна. Слева направо: образец газового гидрата; пинго 2 и потоки пузырькового метана (газовые факелы) по данным многолучевого эхолота; центральный кластер газогидратных пинго и пути миграции газа через донные отложения и толщу воды. Точками разных цветов показаны концентрации растворенного метана на различных горизонтах водной толщи; пинго 5 и газовые факелы; поток пузырькового метана в придонном слое
Применив нашу сдвоенную модель эволюции ледникового покрова и зоны стабильности газовых гидратов, мы выяснили, что аналогично кратерам, территория, где сейчас расположены пинго, во время последнего ледникового максимума была покрыта ледником (рис. 5). Эта часть Стурфьордренны лишилась ледникового покрова уже 21 тыс. лет назад, после чего реликтовая зона стабильности гидратов просуществовала еще около 6 тыс. лет. Мы предполагаем, что эволюция слоя газовых гидратов по сценарию, приведенному для Бьернойренны, привела к формированию газогидратных пинго в Стурфьордренне.
Рис. 5. Изменения мощности ледникового покрова и зоны стабильности газовых гидратов в Стурфьордренне на протяжении последнего ледникового цикла
Рис. 5. Изменения мощности ледникового покрова и зоны стабильности газовых гидратов в Стурфьордренне на протяжении последнего ледникового цикла
Таким образом, мы обнаружили существующие активные газогидратные пинго, аналогичные тем, что, как мы полагаем, предшествовали кратерам в Бьернойренне. Основной причиной, почему пинго до сих пор не коллапсировали, является большая глубина моря (380 м в Стурфьорденне и всего 330 м в Бьернойренне), что на протяжении постледниковья затормаживало разложение гидратов. Кроме того, периодические понижения температуры придонных вод в Стурфьордренне вызывали появления зоны стабильности гидратов и в постледниковье (рис. 5). Гидраты в пинго стабильны и сейчас. Более того, наблюдаемые сегодня пинго расположены в районе с большей мощностью рыхлых отложений, подверженных пластической деформации. Кратеры же, напротив, находятся в твердых породах, крайне подверженных хрупкой деформации и растрескиванию. Вероятно, различия физико-географических и литологическх условий привело к тому, что метановая система в Стурфьордренне находится на более ранней стадии пинго, в то время как в Бьернойренне пинго уже коллапсировали и образовали кратеры.
Наши исследования — важный шаг к пониманию процессов консервации и выбросов метана, контролируемых ледниковыми циклами. При отступании ледниковых покровов драматические изменения температуры и давления могут вызывать обширные и непредвиденные выбросы метана. Многие участки арктического шельфа были покрыты ледниками и содержат огромное количество углеводородов (в том числе метана) — их вклад в атмосферный бюджет парниковых газов может быть недооценен. Предложенный нами сценарий может быть актуальным в связи с продолжающимся активным сокращением ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды.