Задорожная Наталия Александровна. Метан в мерзлых и протаивающих породах западной Арктики

Краткое описание

ИНСТИТУТ КРИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
- обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра Тюменского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук
(ИКЗ ТюмНЦ СО РАН)

На правах рукописи

Задорожная Наталия Александровна
МЕТАН В МЕРЗЛЫХ И ПРОТАИВАЮЩИХ ПОРОДАХ ЗАПАДНОЙ
АРКТИКИ
Специальность: 1.6.7 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук Васильев Александр Алексеевич
Тюмень - 2023
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................. 3
1. ПРОБЛЕМА МЕТАНА В МЕРЗЛЫХ И ПРОТАИВАЮЩИХ ПОРОДАХ................................. 11
1.1. Значение исследования метана в мерзлых и протаивающих породах.................................. 11
1.2. Состояние изученности содержания метана в мерзлых и протаивающих породах............ 13
2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ.............................................................................................................. 26
2.1. Физико-географическое положение районов исследования. Климат................................... 27
2.2. Рельеф....................................................................................................................................... 51
2.3. Ландшафтная структура.......................................................................................................... 53
3. ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ.......................................................................................... 61
3.1. Геологическое строение и четвертичные отложения............................................................ 61
3.2. Геокриологические условия.................................................................................................... 65
3.2.1. Распространение, мощность и строение многолетнемерзлых пород.............................. 65
3.2.2. Переходный слой................................................................................................................ 74
3.2.3. Температурный режим многолетнемерзлых пород......................................................... 80
3.2.4. Сезонное протаивание....................................................................................................... 88
4. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В МЕРЗЛЫХ И ПРОТАИВАЮЩИХ
ПОРОДАХ.............................................................................................................................................. 93
4.1. Полевые методы....................................................................................................................... 93
4.2. Лабораторные методы............................................................................................................. 99
5. МЕТАН В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ И ПРОТАИВАЮЩИХ ПОРОДАХ И ПОДЗЕМНЫХ
ЛЬДАХ................................................................................................................................................. 101
5.1. Метан в многолетнемерзлых и протаивающих породах и подземных льдах..................... 102
Устье р. Печора............................................................................................................................ 102
Марре-Сале, Западный Ямал...................................................................................................... 106
Метан в подземных льдах Сопочной Карги (Енисейский Север)............................................ 116
Тазовский..................................................................................................................................... 119
5.2. Метан в сезонно-талом и переходном слое в доминантных ландшафтах южной и
типичной тундры............................................................................................................................ 130
Южная кустарниковая тундра, устье р. Печоры....................................................................... 131
Типичная тундра, Марре-Сале................................................................................................... 137
Южная кустарниковая тундра, Тазовский................................................................................ 145
5.3. Влияние климатических условий на содержания метана в протаивающих породах 150
5.4. Изотопный состав метана...................................................................................................... 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................... 162

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................... 167

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные исследования позволили выявить зависимость содержания метана в мерзлых и протаивающих породах основных геолого-стратиграфических комплексов четвертичных отложений в Западной Арктике от геокриологических, биоклиматических и ландшафтных условий и дать оценки содержания метана в доминантных ландшафтах Западной Арктики при потеплении климата. Были комплексно изучены 3 района (устье реки Печоры, Марре-Сале (Западный Ямал), участки вблизи поселка Тазовский), отличающихся по геокриологическим и ландшафтным условиям, для которых содержание метана и закономерности его распределения ранее не были известны. Благодаря полученным детальным данным и их статистической обработке впервые установлено, что содержание метана в породах и подземных льдах несет в себе четкий климатический отклик, который имеет прогностическое значение. Принимая во внимание недостаточную изученность и спорные точки зрения на происхождение, содержание и эмиссию метана в криолитозоне, в данной работе изложены более четкие представления и обоснованные выводы о характере распределения, биогенном генезисе и количестве метана в мерзлых и талых породах четвертичного возраста на территории Западной Арктики.
Основные научные результаты:
1) Анализ современного состояния изученности проблемы метана в Арктике показал, что основное внимание уделяется эмиссии метана в различных условиях, но почти нет данных о его содержании в многолетнемерзлых и протаивающих породах. Это послужило основанием для формулирования основной цели и задач работы.
2) Проведен анализ изменения климата в обширном регионе по данным ключевых метеостанций - мыс Константиновский, Марре-Сале и Тазовский. Западная Арктика характеризуется возрастанием суровости климата не только с юга на север, но и с запада на восток. Потепление климата происходит, начиная с 1970-х гг., синхронно, но с разными амплитудами. Для западной части региона скорость повышения среднегодовой температуры составила 0,06 оС/год, на Западном Ямале - 0,055 оС/год, в районе Тазовского - 0,072 оС/год. Наблюдается повышение не только среднегодовой, но и средней летней температуры воздуха.
Увеличивается продолжительность теплого периода. По данным всех метеостанций возрастает годовая сумма осадков, что формирует тенденцию к заболачиванию территории.
На примере ключевых участков в полевых условиях и на основе спутниковых данных изучена ландшафтная структура территории в ранге урочищ. Для учета условий увлажненности доминантных ландшафтов внесены усовершенствования существующей классификации ландшафтов. Построены крупномасштабные ландшафтные карты исследованных участков.
3) Изучены геокриологические условия трех ключевых участков в динамике на фоне потепления климата. На основе статистической обработки данных по влажности (льдистости) пород сезонно-талого слоя и многолетнемерзлых пород по разрезу установлено, что повсеместно на территории исследования распространен переходный слой, залегающий непосредственно под слоем сезонного протаивания. Мощность переходного слоя на Европейском Севере может достигать 5-6 м, в Западной Сибири - около 2 м.
Среднегодовая температура многолетнемерзлых пород в районе мыса Болванского в условиях сплошного распространения ММП в устье р. Печоры повысилась с -2,1...-2,3 °С (1984) до -0,6...-1,2 °С (2021). В Марре-Сале среднегодовая температура ММП также повысилась с -4,6.-7,5 °С (1978) до -
2,4. -4,5 °С (2022). В районе Тазовского нет продолжительных наблюдений за температурой ММП, здесь можно только констатировать что среднегодовая температура имеет тенденцию к повышению с -2,7 °С (2016) до -2,2 °С (2022).
На фоне потепления климата для всей территории характерно увеличение глубины сезонного протаивания. Среднемноголетний тренд на площадке CALM Болванский (R24) составляет 0,3 см/год. На площадке CALM острове Кашин (R24A) ряд наблюдений короче, при этом здесь фиксируется более высокий тренд к оттаиванию пород (3,7 см/год). Тренд для района Марре-Сале по данным на площадке CALM составляет около 0,4 см/год. В Тазовском наблюдается тренд увеличения сезонного протаивания в 2 см/год.
4) В связи с исключительно высокой изменчивостью содержания метана в ММП и породах сезонно-талого слоя в качестве основного методического приема было использовано массовое опробование разрезов, колонок скважин и шурфов с последующей статистической обработкой данных. Это позволило получить статистически достоверные показатели содержания метана в мерзлых и протаивающих породах основных стратиграфо-генетических комплексов и подземных льдов.
5) Изучено содержание метана по данным более 1000 образцов мерзлых пород и подземных льдов. Сформирована компьютерная база данных. Показано, что содержание метана описывается логнормальным распределением.
Установлено, что мерзлые породы основных стратиграфо-генетических комплексов Западной Арктики характеризуются индивидуальными и отличающимися от комплекса к комплексу величинами содержания метана. Максимальное содержание метана отмечается в современных аллювиальных отложениях (МИС 1) и морских отложениях казанцевского возраста (МИС 5) и достигает 1,7 мл/кг. Породы каргинского возраста (МИС 3) характеризуются содержанием метана около 0,7 мл/кг, а сартанские (МИС 2) - 0,5 мл/кг. Таким образом, максимальные содержания метана наблюдаются в породах, сформировавшихся в теплые этапы - термохроны, а минимальные в холодные этапы - криохроны.
Влияние климатических условий на содержание метана уверенно подтверждается данными по полигонально-жильным и пластовым льдам. Наибольшие содержания метана наблюдаются в голоценовых ПЖЛ, сартанские ПЖЛ, сформировавшиеся в условиях более холодного климата, характеризуются существенно более низким содержанием метана. Установлено также, что содержание метана в голоценовых и сартанских ПЖЛ снижается по мере увеличения суровости климата с запада на восток.
Изучено содержание метана в породах сезонно-талого слоя и подстилающих ММП во всех доминантных ландшафтах региона. Показано, что решающее значение имеют особенности ландшафтов и условия увлажнения. В заболоченных ландшафтах содержание метана в устье р. Печоры достигает 2,5 мл/кг, в то время как в ландшафтах разной степени дренированности - менее 0,5 мл/кг. В Марре- Сале также наибольшие содержания метана присущи пойменным болотам - до 1,7 мл/кг и логам, и ложбинам стока - до 1 мл/кг. В районе Тазовского содержание метана изучалось в торфяниках. Торф характеризуется максимальными значениями содержания метана, достигающими 9,5 мл/кг.