Распределение метана и его потоков на границе вода–атмосфера (Японское море)

Гидрохимия и экология
Вестник ДВО РАН. 2013. № 6
УДК 551.465
Г.И. МИШУКОВА, В.Ф. МИШУКОВ, А.К. ОКУЛОВ
Распределение метана и его потоков
на границе вода–атмосфера
на акватории залива Петра Великого
(Японское море)
По многолетним данным (1996–2012 гг.) изучено пространственное распределение содержания метана
и его потоков на границе вода–атмосфера на акватории зал. Петра Великого. Показана неоднородность распределения метана. Установлены участки с аномально высокими концентрациями метана и близкими к равновесным с атмосферой. Максимальные концентрации наблюдались как вблизи берегов, так и на относительном
удалении от них. Впервые оценены потоки метана на границе вода–атмосфера на акватории зал. Петра Великого. С учетом направления и величины этих потоков акватория разделена на районы с выделением и поглощением метана. С применением модели расчета полей течений и переноса примесей для исследованной акватории
объяснено формирование повышенных концентраций метана на акватории залива, а также выявлены антропогенные и природные источники метана.
Ключевые слова: метан, распределение, потоки, источники, модель течений и переноса примесей.
Distribution of methane contents in sea waters and its fluxes on the border of water–atmosphere in the Peter
the Great Bay of the Sea of Japan. G.I. MISHUKOVA, V.F. MISHUKOV, A.K. OKULOV (V.I. Il’ichev Pacific
Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
According to long-term data (1996–2012) the spatial distribution of methane content and its fluxes on the border of
water-atmosphere of the Peter the Great Bay were investigated. The heterogeneity distribution of methane was shown.
The regions were established where concentrations of methane gas was abnormally high and close to equilibrium.
Maximum concentrations were observed both near the shores and on a relative distance from them. For the first time
the fl ux of methane was evaluated on the water-atmosphere border in the area of Peter the Great Bay. With regard to
direction and magnitude of these fl uxes, the water area is split into districts with methane allocation and absorption.
Application of simulation model for calculation of current fields and transfer of impurities for the surveyed water area
allowed explaining the formation of higher concentrations of methane in the water area of the Bay, as well as identifying
anthropogenic and natural sources of methane.
Key words: methane, distribution, fluxes, sources, simulation model of current and contaminant transport.
Изучение пространственного и временного распределения метана в водной среде необходимо для определения источников и механизмов, влияющих на его содержание.
Часто метан, растворенный в воде, используется в качестве индикатора для обнаружения
углеводородов (нефтяных, угольных, газовых месторождений и залежей газогидратов)
[6]. В местах диффузного выхода метана протекают интенсивные биогеохимические процессы, приводящие к образованию биологических матов, развитию бентосного и планктонного
сообществ, в состав которых входят симбиотрофные и гетеротрофные животные [1]. Особую
актуальность имеет расчет потоков метана на границе вода–атмосфера, так как, несмотря на незначительное содержание в атмосфере, метан играет исключительно важную
роль в формировании климатических условий всей нашей планеты. Он активно участвует
*МИШУКОВА Галина Ивановна – кандидат географических наук, старший научный сотрудник, МИШУКОВ
Василий Федорович – кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, ОКУЛОВ Алексей Константинович – младший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН,
Владивосток). *E-mail: [email protected]
120
в фотохимических реакциях в стратосфере и способствует разрушению озонового слоя,
кроме этого является одним из парниковых газов.
Цель настоящей работы – исследование пространственного и временного распределения метана и его потоков на границе вода–атмосфера на акватории зал. Петра Великого и
моделирование процесса переноса из предполагаемых источников.
Объект и методы исследования
Для анализа пространственно-временной изменчивости распределения метана
использовались данные нескольких экспедиций по зал. Петра Великого: осенью (октябрь–
ноябрь 2000 г., рейс 30, октябрь–ноябрь 2009 г., рейс 44, НИС «Профессор Гагаринский»;
сентябрь–октябрь 2010 г., рейс 52, НИС «Академик Лаврентьев»; сентябрь 2012 г., НИС
«Павел Гордиенко») и весной (март–апрель 1996 г., февраль–март 2001 г., рейс 31, март
2010 г., рейс 46, май 2010 г., рейс 47, НИС «Профессор Гагаринский»). В разные годы
отбор проб проводился по стандартным профилям (рис. 1).
На станциях воду отбирали с различных горизонтов батометрами Нискина системы
«Rosette», комбинированной с многопараметрическим CTD-зондом. Для мелководных станций отбор проб морской воды осуществлялся на двух горизонтах: в поверхностном слое на
3–5 м от поверхности и придонном на расстоянии 3–5 м от дна. Также пробы отбирали во
время движения судна с помощью заборного устройства на глубине 4 м от поверхности моря.
Концентрация метана в воде определялась методом дегазации [3] или равновесного парафазного анализа [5]. Состав газовой фазы определяли на борту судна или на берегу на
хроматографах ЛХМ-80, SRI-8610 (США) либо «Кристалл-Люкс-4000м» (Россия, г. Йошкар-Ола). Для расчета растворенного в морской воде метана использовали уравнение [6].
Расчет потоков метана проводился по методике, описанной в работах [3–5].
Данные о положении эпицентров, времени и магнитудах землетрясений за 1984–
2012 гг. для учета влияния сейсмической ситуации района на момент проведения экспериментальных исследований взяты на сайте U.S. Geological Survey, National Earthquake
Information Center, World Data Center for Seismology [7].
Результаты и обсуждение
Первые исследования, выполненные в 1995–1996 гг., показали неоднородность
распределения метана в придонном слое морской воды при общем уменьшении концентрации метана при движении от мелководных станций в более глубоководные районы.
Выделены районы подводных выходов метана на акватории зал. Петра Великого.
Устойчивая неоднородность распределения метана в придонном слое морской воды
отмечена во всех последующих как весенних, так и осенних экспедициях 1996–2012 гг.
(рис. 1).
При этом наблюдались следующие особенности.
Концентрации метана монотонно уменьшались при движении от мелководных станций в более глубоководные районы. Аномально высокие концентрации метана выявлены
на станциях в Амурском и Уссурийском заливах, в районе станций вблизи Владивостока
(на выходе из прол. Босфор Восточный) и в заливах Восток и Находка.
Данная закономерность нарушается на станциях, где резкое повышение содержания
метана обусловлено наличием подводных источников:
а) в западной части зал. Петра Великого – в верховьях большого Гамовского каньона и
на юго-запад от мыса Гамова в зал. Посьета (рис. 1 б, в);
б) в центральной и восточный частях зал. Петра Великого – максимальные концентрации метана в точках 42,7° с.ш. и 131,8° в.д. (рис. 1 в, г); 42,5° с.ш. и 132,1° в.д. (рис. 1в);
42,6° с.ш. и 132,2° в.д. (рис. 1 а–в).
121
122
Рис. 1. Распределение метана (нМоль/л) в придонном слое морской воды зал. Петра Великого: а – март 2001 г., б – март 2010 г., в – октябрь–ноябрь 2009 г., г – сентябрь 2012 г.
Кружками обозначены станции отбора проб, звездочками – эпицентры землетрясений 1984–2012 гг.
Рис. 2. Вертикальное распределение метана (нМоль/л) в морской воде: 1 – профиль 1, март 2001 г.; 2 – профиль 2,
март 2010 г.; 3 – профиль 3, март 2010 г.
В поверхностном слое морской воды содержания метана значительно меньше, чем в
придонном, а зоны повышенных концентраций несколько смещены относительно придонных аномалий. Особенно заметен этот эффект на вертикальных разрезах (рис. 2), когда в
придонных слоях морской воды формируется относительно устойчивое аномальное поле
метана. Придонный слой шельфовых морских вод является источником метана при движении в открытую часть зал. Петра Великого из заливов Посьета, Амурского и Уссурийского.
Неоднородное распределение метана в придонном слое формирует неоднородности
содержания метана и в поверхностном слое морских вод, что сопровождается изменением
123
потока метана на границе морская вода – атмосфера. На значительной части акватории
наблюдаются значения концентраций метана, близкие к равновесным с атмосферой, но
отчетливо выделяется несколько участков с концентрациями, превышающими равновесные, при данной температуре и солености, в несколько раз.
Поток метана на границе вода–атмосфера составил: для октября 2009 г. от -1 до
10 Моль/км2 · сут, для марта 2010 г. от -6 до 19 Моль/км2 · сут, для сентября–октября 2010 г.
от 0 до 83 Моль/км2 · сут (рис. 3).
Расчет потоков показал, что, во-первых, в зал. Петра Великого на большей части наблюдается выделение метана в атмосферу; во-вторых, на отдельных участках залива и в открытых водах Японского моря происходит поглощение метана из атмосферы.
Вероятно, акватория зал. Петра Великого подвержена влиянию нескольких источников метана антропогенного характера, а также не исключена возможность поставки его из
природных источников, например в ходе дегазации углеводородных залежей или в составе
эндогенных флюидов через различные геологические объекты, такие как разломы, зоны
газонасыщенных осадков, угленосные пласты.
Для исследования пространственного переноса метана была разработана модель расчета полей течений и распределения примесей на акватории зал. Петра Великого. Скорость и
направление течений на акватории залива характеризуются значительной изменчивостью
и в большой степени определяются ветровым режимом. При изменении синоптической
ситуации в разные сезоны года меняется и циркуляция воды в заливе. В результате расчетов в районе исследований установлена сложная структура течений с формированием
циклонических и антициклонических вихрей [2].
При моделировании распределения примесей на акватории зал. Петра Великого в качестве координат подводных источников метана использованы координаты: 1) максимальных концентраций метана в придонном слое морской воды; 2) эпицентров землетрясений
на акватории залива; 3) сброса загрязненных грунтов из бухты Золотой Рог.
Первый вариант расчета. Известно, что в местах выделения газов вместе с метаном
выходят и другие, более тяжелые, углеводороды, которые в разведке и нефтегазодобыче
называются газоконденсат. После схлопывания пузырька газа эти углеводороды остаются на поверхности моря и образуют слики. Под влиянием ветра и течения происходит
их пространственный перенос. Появление сликов на поверхности моря сопровождается
изменением спектра ветрового волнения с подавлением волн ряби, которое хорошо фиксируется спутниковыми радиолокационными станциями. В работе [3] было показано, что
математическая модель поведения пятна газоконденсата на акватории зал. Петра Великого
на реальный момент времени и особенности распределения пятен хорошо согласуются
с аэрокосмическими данными. Отмечено, что наличие источников углеводородов в придонном слое приводит к образованию полей сликов, на пространственное расположение
которых влияют приливно-отливные и ветровые течения. Вследствие малых скоростей
ветра 21 и 22 сентября 1997 г. слики хорошо сохранялись на поверхности моря, поэтому
наибольшая концентрация проявилась в местах подводных источников газоконденсата.
Скорость поступления метана из подземных источников на данной территории изменяется во времени, поэтому содержание метана в различных водах непостоянно. Возможно,
изменение содержания метана связано с активизацией сейсмотектонических процессов,
сопровождающихся увеличением содержания этого газа в водах и атмосфере. В изучаемом регионе на момент проведения исследований сейсмическая активизация проявлялась
в землетрясениях в Северо-Восточном Китае, на территории Приморского края и акватории залива. Сейсмическая активность в Приморском крае наблюдается и в настоящее
время.
По результатам мониторинга в Хасанском районе отмечено понижение концентраций
метана в наземных и подземных водах суши с 1992 г. по октябрь 1995 г. В 1995 г. произошло их резкое повышение в подземных водах суши, сопровождавшееся увеличением
124
Рис. 3. Распределение потоков метана на границе вода–атмосфера (столбики и цифры возле них обозначают потоки метана, Моль/км2 · сут). Изолинии – концентрация метана в поверхностном слое морской воды. А – октябрь
2009 г., Б – март 2010 г., В – октябрь 2010 г.; кружки – концентрации метана в 4-метровом поверхностном слое
морской воды, звездочки – эпицентры землетрясений в 2008 и 2009 гг., которые являются источниками метана,
серые линии и области – траектории движения водных масс с растворенным метаном от указанных источников
125
содержания метана в наземных и морских водах более чем в 10 раз. Начиная с 1997 г. этот
показатель уменьшился во всех исследуемых водах [3].
Второй вариант расчета. В работе [5] приведен расчет распространения растворенного метана в поверхностном 4-метровом слое морских вод на период 17–18.09.2010 г. и
9–10.10.2010 г. с использованием в качестве координат выхода метана координат эпицентров землетрясений на акватории зал. Петра Великого в 2008 и 2009 гг. Представленные
на рис. 3 серые области (траектории движения водных масс и положение водной массы с
растворенным метаном на конец расчета) хорошо согласуются с экспериментально установленным неоднородным полем распространения метана.
Третий вариант расчета. В качестве координат подводных источников метана взяты
координаты сброса загрязненных грунтов из бухты Золотой Рог.
1. Сброс загрязненных грунтов в 1969–1984 гг. около п-ова Шкота обусловил формирование в придонных водах области с повышенным содержанием метана до 20–30 нМоль/л
(рис. 4, область А).
Анализ информации об объемах распределения толщины слоя черного ила и распределения в донных осадках нефтяных углеводородов в районах сброса говорит о влиянии
загрязненных грунтов из района дампинга на современное содержание метана.
2. С 1985 г. извлеченные загрязненные грунты сбрасывались на морской свалке в
Уссурийском заливе восточнее п-ова Житкова (рис. 4, область Б). В работе приведен
пример распространения пятен взвешенных частиц на акватории залива при характерном для летнего периода юго-восточном ветре. Под влиянием ветра и круговорота вод в
восточной части прол. Босфор Восточный взвесь проникает в пролив и выносится в прибрежную зону южной оконечности п-ова Муравьев-Амурский. Происходит активный
разнос грунтов, обусловливающий поступление примеси в другие районы зал. Петра
Великого. Результаты моделирования показали, что при северных ветрах любой силы
и в штилевых условиях загрязненные водные массы (в первую очередь поверхностный
слой и нефтяные пленки) из бухт Золотой Рог, Диомид и Улисс перемещаются на юг,
загрязняя близлежащие акватории в бухтах Парис, Житкова и в Уссурийском заливе.
Рис. 4. Распределение в придонном слое морской воды на акватории зал. Петра Великого концентраций метана
(шкала 1, нМоль/л) и нефтяных углеводородов (область А, шкала 2, мкг/кг), а также распространение пятен
грунта (область Б) из местоположений свалки грунтов (черный крест)
126
Загрязнение отмечается и в донных осадках. Вследствие сорбции нефтяных углеводородов на взвешенных частицах они осаждаются на дне и в береговой полосе, что, по-видимому, является одной из причин высоких концентраций метана в придонных водах в
районах сброса загрязненных грунтов.
Выводы
Исследования, выполненные в 1996–2012 гг., показали устойчивое неоднородное распределение метана в придонном слое морской воды на акватории зал. Петра Великого. При этом наблюдались следующие особенности:
1) концентрации метана монотонно уменьшаются при движении от мелководных станций в более глубоководные районы;
2) данное распределение нарушается на станциях, где обнаружено резкое повышение
содержания метана, обусловленное наличием подводных источников;
3) в поверхностном слое морской воды содержания метана значительно меньше, чем в
придонном, а зоны повышенных концентраций несколько смещены относительно придонных аномалий метана вблизи дна.
В целом наблюдается пересыщение метаном поверхностных вод относительно его равновесного содержания в атмосфере, что на основании теории газообмена свидетельствует
об активном поступлении газа в атмосферу.
Расчет потоков метана на границе вода–атмосфера показал, что как для осеннего, так
и для весеннего сезона: 1) в зал. Петра Великого наблюдается выделение метана в атмосферу, причем в шельфовых районах потоки метана значительно выше, чем в мористой
части; 2) на отдельных участках залива и в открытых водах Японского моря происходит
поглощение метана из атмосферы.
В качестве источников метана на акватории рассмотрено воздействие подводных выходов метана, эпицентров землетрясений и районов сброса загрязненных грунтов. Применение модели расчета полей течений и переноса примесей для исследованной акватории позволило объяснить формирование повышенных концентраций метана на акватории залива
от указанных источников, что согласуется с результатами спутникового радиолокационного зондирования поверхности зал. Петра Великого и экспериментальными данными о
временной и пространственной неоднородности полей метана на акватории.
ЛИТЕРАТУРА
1. Леин А.Ю., Иванов А.М. Биогеохимический цикл метана в океане. М.: Наука, 2009. 576 с.
2. Мишуков В.Ф., Калинчук В.В., Мишукова Г.И. Модель расчета переноса и трансформации нефтяного
загрязнения в дальневосточных морях (на примере залива Петра Великого Японского моря) // Дальневосточные
моря России: в 4 кн. / гл. ред. В.А. Акуличев. М.: Наука, 2007. Кн. 2. Исследование морских экосистем и
биоресурсов. С. 267–298.
3. Мишукова Г.И., Обжиров А.И., Мишуков В.Ф. Метан в пресных и морских водах и его потоки на границе
вода–атмосфера в Дальневосточном регионе. Владивосток: Дальнаука, 2007. 159 с.
4. Мониторинг метана в Охотском море / ред. А.И. Обжиров, В.А. Соснин и др. Владивосток: Дальнаука,
2002. 250 с.
5. Vereshchagina O.F., Korovitskaya E.V., Mishukova G. Methane in water columns and sediments of the north
western Sea of Japan // Deep Sea Res. Pt II: Topical Studies in Oceanography. 2013. Vol. 86/87. P. 25–33.
6. Wiessenburg D.A., Guinasso N.L. Equilibrium solubility of methane, carbon dioxide, and hydrogen in water and
sea water // J. Chem. Engineering Data. Texas: Dep. Oceanogr. Univ. A&M. 1979. Vol. 24, N 4. P. 356–360.
7. World Data Center for Seismology. National Earthquake Information Center, U.S. Geological Survey. – http://
neic.usgs.gov/neis/bulletin/neic_edau_l.html
127