БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ МЕТАНА В АНАЭРОБНОЙ ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ
advertisement
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ МЕТАНА В АНАЭРОБНОЙ ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ М.В.Иванов Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, E-mail: ivanov@inmi.host.ru Последние тридцать лет изучения Черного моря ознаменованы рядом открытий, позволивших по-новому оценить процессы круговорота метана в этом крупнейшем на планете меромектическом водоеме. В области геологии следует прежде всего упомянуть об обнаружении активных грязевых вулканов в глубоководной котловине моря и о многочисленных холодных метановых сипах, обнаруженных, главным образом, на шельфе и континентальном склоне. Результаты геофизических исследований позволяют прогнозировать наличие крупных скоплений газогидратов метана в осадочных породах под дном континентального склона и глубоководной котловины. Кроме того, с каждым годом увеличивается количество находок газогидратов в колонках голоценовых осадков, добываемых с помощью геологических трубок. Усилиями сотрудников ИО РАН в экспедициях 80-х годов прошлого и начала двадцать первого века получен большой фактический материал по распространению метана как в анаэробной водной толще, так и осадках голоцена. Начиная с 1980 года, проводятся широкомасштабные микробиологические и биогеохимические исследования процессов образования и потребления метана в различных зонах Черного моря. В последние годы существенно пополнилась база данных по стабильно изотопному составу углерода как самого черноморского метана, так и продуктов его микробного окисления, главными из которых являются аутигенные карбонаты. Из карбонатов состоят крупные столбообразные конструкции в местах выхода холодных метановых сипов. Встречаются также различной формы карбонатные корки, характеризующиеся аномально легким изотопным составом углерода карбонатов, унаследованным от окисленного метана. При этом важно подчеркнуть, что в процессе микробного окисления метана в первую очередь используется изотопно-легкий метан, в результате чего остаточный метан обогащается тяжелым изотопом. На основании обобщения результатов тридцатипятилетних исследований ИНМИ РАН, ИО РАН и литературных данных накоплен большой материал по 2 распределения метана и микробным процессам его образования и потребления в анаэробной водной толще Черного моря. На большинстве станций концентрация метана практически линейно возрастает от верхней границы сероводородных вод до глубин 600-700 м, а в более глубоких горизонтах водной толщи практически не изменяется. Только на станциях западной части моря обнаружены пики содержания метана на глубинах 450-650 метров. На верхней границе анаэробной зоны происходит практически полное окисление метана, препятствующее поступлению метана в аэробную зону и далее в атмосферу. Тем не менее, поток метана в атмосферу существует за счет прорыва части метана из холодных сипов, функционирующих на глубинах менее 200 м, а также за счет микробного метаногенеза в анаэробных нишах (кишечный тракт зоопланктонных организмов, пелеты и другие скопления органического вещества) в аэробной части глубоководной котловины. Повышенные концентрации метана в придонных водах обнаруживаются на станциях с глубинами менее 800 метров, а также в районах выхода метановых сипов в глубоководной котловине. Экспериментальное изучение скоростей микробных процессов образования и анаэробного окисления метана позволило объяснить многие особенности распределения метана и дать количественную оценку скоростей этих процессов в масштабе всей анаэробной зоны моря. Основным источником черноморского метана являются процессы метаногенеза в водной толще, за счет которых ежегодно образуется около 61.46 · 1010 молей СН4. В доступных для изучения голоценовых осадках годовая продукция метана на два порядка величин ниже. И в водной толще, и в донных осадках одновременно с процессом микробного метаногенеза происходят процессы анаэробного (сообществом) окисления анаэробных метана, метанокисляющих сульфатредуцирующих микроорганизмов. осуществляемые архей из группы консорциумом ANME и Годовая величина анаэробного окисления метана равняется 70.46 · 1010 молей на весь объем анаэробной водной толщи. Именно соотношение микробного образования и окисления метана влияет на распределение метана в водной толще, поскольку количество метана, поступающего в водную толщу из внешних источников (грязевые вулканы, холодные сипы и донные осадки верхней части континентального склона) составляет около 9.0 · 1010 молей в год. Из полученных экспериментальных данных следует, что в верхних горизонтах анаэробной зоны, лучше снабжаемых взвешенным органическим веществом, поступающим из зон фото- и хемосинтеза, скорости процесса метаногенеза превышают скорости его анаэробного окисления. Поэтому в верхней части 3 наблюдается увеличение концентрации метана. В более глубоких горизонтах скорости анаэробного окисления превышают скорости метаногенеза, увеличение концентрации прекращается, а ход кривой содержания метана зависит уже от соотношения процессов его окисления и поступления метана из внешних источников. Опубликованные данные по стабильно-изотопному составу углерода черноморского метана подтверждают биогенную природу большей его части. Наиболее это очевидно для метана, образующегося в голоценовых осадках, величины δ13С которого варьируют в пределах от –60,0 до –81,8 ‰. Близкие значения средней величины δ13С имеет и метан холодных сипов –66,3‰. Лишь на одном из пяти обследованных грязевых вулканов метан грязевой брекчии имел изотопный состав, характерный для термокаталитического метана (δ13С от -31,6 до –49,8 ‰, вулкан Ковалевского). На остальных вулканах изотопный состав углерода метана грязевой брекчии варьировал от –50,7 до –67,4‰. Еще более легкий изотопный состав углерода характерен для метана газогидратов, залегающих в верхних горизонтах голоценовых осадков, от –43,0 до –72,4 ‰ при средней величине –61,6‰. Изменение изотопных характеристик метана, растворенного в анаэробной водной толще, также объясняется деятельностью микроорганизмов. Наиболее изотопно-легкий метан обнаружен в верхних частях анаэробной зоны, где скорости метаногенеза превышают скорости его окисления. В более глубоких горизонтах, где преобладают процессы микробного окисления, изотопный состав недоокисленного метана заметно утяжеляется. В заключении можно утверждать, что весь комплекс имеющейся на сегодняшний день информации о распределении метана в воде и донных осадках Черного моря, об изотопном составе метана и о скоростях его образования и окисления позволяют утверждать, что биогеохимический цикл метана в этом море регулируется современными микробными процессами. Дискуссионным остается только вопрос о количестве и природе метана, поступающего из грязевых вулканов, поскольку метан других внешних источников (донные осадки и холодные сипы) имеет микробное происхождение и молодой (не старше голоценового времени) возраст. Новую информацию о метане глубинного происхождения и о его роли в формировании скоплений газогидратов в осадочных породах под дном Черного моря можно будет получить в том случае, если будет проводиться бурение разведочных скважин в различных районах Черного моря.
