Количественная акустическая оценка потоков метана с припайного льда на мелководном Восточно-Сибирском шельфе

Вестник ДВО РАН. 2013. № 6

УДК 551.46; 681.883

Д.В. ЧЕРНЫХ, А.С. САЛОМАТИН, В.И. ЮСУПОВ, Н.Е. ШАХОВА, В.И. СЕРГИЕНКО, Д.А. КОСМАЧ, А.А. МЕЛУЗОВ, И.П. СЕМИЛЕТОВ

Количественная акустическая оценка потоков метана с припайного льда на мелководном Восточно-Сибирском шельфе

Во время зимней буровой экспедиции на мелководном шельфе в море Лаптевых с поверхности припайного льда дистанционным акустическим методом были зарегистрированы многочисленные кратковременные выбросы пузырьков газа. Измерения показали, что газ, переносимый этими пузырьками, как минимум на 70% состоит из метана. Средний поток метана в водную толщу в момент выбросов по акустической оценке составил

0,3 мл/м-2 • с-'.

Ключевые слова: пузырьки, поток метана, гидроакустический метод, количественная оценка потока метана, Восточно-Сибирский шельф.

Quantitative acoustic estimation of methane flux from the fast ice on the East Siberian Shelf. D.V. CHERNYKH, A.S. SALOMATIN, V.I. YUSUPOV, N.E. SHAKHOVA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), V.I. SERGIENKO (Institute of Chemistry, FEB RAS, Vladivostok), D.A. KOSMACH (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), A.A. MELUZOV (P.P. Shirshov Institute of Oceanology, RAS, Moscow), I.P. SEMILETOV (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Numerous short-term emissions of gas bubbles rising from the sea floor were detected by remote acoustic technique from the fast ice during winter drilling expedition in the Laptev Sea. Observations showed that at least 70% of gas carried by the bubbles was methane. The average methane flux into the water layer during emissions was 0.3 ml/m-2-s-' according to acoustic estimation.

Key words: bubbles, methane flux, remote acoustic technique, methane flux quantitative estimation, East Siberian Shelf.

В последние годы гидроакустические методы используются для оценки потоков метана в областях разгрузки этого газа со дна морей и океанов [1, 7, 9]. Метан является вторым по значимости парниковым газом, его концентрация в атмосфере за последние

*ЧЕРНЫХ Денис Вячеславович - аспирант, старший инженер, САЛОМАТИН Александр Сергеевич - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, ЮСУПОВ Владимир Исаакович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ШАХОВА Наталья Евгеньевна - доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, КОСМАЧ Денис Алексеевич - старший научный сотрудник, СЕМИЛЕТОВ Игорь Петрович - доктор географических наук, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток); СЕРГИЕНКО Валентин Иванович - академик, председатель ДВО РАН, директор Института химии ДВО РАН (Владивосток); **МЕЛУЗОВ Александр Анатольевич - ведущий инженер (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва). E-mail: *azzielbub@ mail.ru; **melru@mail.ru

Экспедиционные и экспериментальные работы выполнены в рамках совместных российско-американских исследований (согласно стратегическому соглашению о сотрудничестве между ДВО РАН, Университетом Аляска, Фэрбенкс, и Международным арктическим научным центром). Работы поддержаны Президиумом ДВО РАН (12-111-А-07-131), РФФИ (10-05-00996, 11-05-00781, 11-05-12021, 11-05-12027, 11-05-12028, 11-05-12032, 12-05-31097, 12-05-31307, 13-05-12028, 13-05-12038, 13-05-12041, 13-0512042), НОАА и Национальным научным фондом США: The Cooperative Institute for Arctic Research, through NOAA Cooperative Agreement NA17RJ1224, The U.S. National Science Foundation (Nos. 0PP-0327664, 0PP-0230455, ARC-1023281, ARC-0909546), The NOAA OAR Climate Program Office (NA080AR4600758).

200 лет возросла более чем в 2,5 раза [6]. В настоящее время считается, что растущая эмиссия метана в атмосферу Земли может быть одной из причин глобальных изменений климата [8, 10]. Рядом авторов была высказана гипотеза о возможном участии в этом процессе мелководного Восточно-Сибирского шельфа, где деградация подводной мерзлоты сопровождается разрушением мелководных гидратов метана [2, 3]. Согласно существующим оценкам, поток метана из мелководной части этого шельфа в атмосферу арктического региона может достигать значений, сопоставимых с вкладом всех континентальных морей Мирового океана [3]. В работе Н.Е. Шаховой с соавторами [10] показано, что при увеличении скорости деградации подводной мерзлоты возможен массированный выброс метана в атмосферу, что не исключает катастрофического сценария развития климатических изменений.

Пузырьковый транспорт является эффективным механизмом доставки метана в водную толщу и атмосферу. Пузырьки метана могут образовываться в донных осадках в тех случаях, когда уровень продукции метана in situ превышает уровень растворимости метана в поровой воде [3]. Кроме того, свободный газ из глубоколежащих газовых залежей или разрушающихся гидратов может транспортироваться по газовым коллекторам, сформированным в осадках [9]. Пузырьки могут поступать в водную толщу поодиночке или группами, формируя в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации -газовые факелы [1, 7, 9]. В условиях мелководного шельфа выбросы метана достигают атмосферы.

Дистанционные акустические методы повсеместно используются для выявления пузырьков в осадках и водной толще [1, 9]. Эхолоты и гидролокаторы способны обнаружить пузырек миллиметровых размеров на расстоянии в сотни метров. В то же время количественная оценка потока метана акустическими методами является сложной задачей, поскольку поток метана в значительной степени зависит от размера и газового состава пузырьков, скорости их всплытия и других параметров [1, 9]. Для оценки потоков метана на больших акваториях целесообразно применение более простых методов, позволяющих выполнить экспресс-оценки допустимой точности. Одним из таких методов является метод расчета потоков на основе калибровочных кривых, построенных in situ.

Цель данной работы - получение количественной оценки потока метана на мелководном шельфе моря Лаптевых в зимне-весенний период на основе разработанной акустической методики экспресс-оценки потока метана. Для осуществления этой цели с поверхности припайного льда проведены работы по изучению естественных и искусственных пузырьков, всплывающих с морского дна.

Аппаратура и методика

В ходе второй российско-американской зимней буровой экспедиции на участке мелководного шельфа моря Лаптевых глубиной около 8 м (рис. 1) с поверхности припайного льда были выполнены акустические наблюдения. Исследования проводили в период с 28 марта по 7 апреля 2013 г. с помощью портативного акустического комплекса на базе эхолота «Furuno» и многоканальной системы цифровой регистрации гидролокационных сигналов (рис. 2). Рабочая частота эхолота составляла 50 кГц,

Рис. 1. Место проведения исследований (показано стрелкой). Изолиниями с цифрами обозначены глубины

полуширина диаграммы направленности - 12,5°, длительность импульсов - 0,5 мс. Во время экспериментов приемо-передающий преобразователь эхолота опускали в прорубь на глубину около 1 м. Акустические импульсы излучались в направлении морского дна, сигналы объемного обратного рассеяния звука (ОРЗ) принимались тем же преобразователем. Для определения скорости и направления течения в водной толще использовался доплеровский измеритель течения SonTek Argonaut XR. Размеры всплывающих пузырьков оценивали у дна по видеозаписям, полученным с помощью подводного телеуправляемого осмотрового комплекса «Гном» (ПТОК «Гном»). Состав переносимого пузырьками газа определяли с помощью газового хроматографа SRI-86110c.

Для оценки пузырькового транспорта из морского дна в водную толщу предварительно был выполнен калибровочный тест, основанный на эксперименте [4] в доке с искусственными пузырьками. Авторы [4] пришли к выводу, что уровень ОРЗ от всплывающих пузырьков однозначно определяется объемом потока газа, переносимого пузырьками, в то время как размеры пузырьков, их количество и способы эмиссии могут варьировать. Достоинством данного подхода является то, что для количественной оценки потока метана на больших акваториях достаточно знать характеристики диаграммы направленности излучателя и выполнить калибровочные измерения зависимости уровня ОРЗ от потока газа, переносимого искусственно сгенерированными пузырьками. Кроме того, было показано, что для калибровки можно вместо метана воспользоваться более доступными воздухом или азотом [4].

Калибровка портативного акустического комплекса была выполнена нами в условиях, максимально приближенных к естественным. Для этого создавали искусственный газовый факел путем погружения на дно через ту же прорубь газового баллона с азотом, из которого через сопло с внутренним диаметром 3 мм в воду подавался поток газа заданной мощности. Суть калибровки состояла в получении эмпирической зависимости между уровнем ОРЗ от всплывающих вблизи дна пузырьков и величиной потока азота, выходящего из сопла, установленного прямо под излучателем в центре его диаграммы направленности. По результатам калибровки по методу наименьших квадратов строили кривую зависимости уровня ОРЗ от величины потока газа, по которой затем оценивали естественные потоки метана. Значения потока газа пересчитывали в поток с единицы площади дна (размерность мл/м-2 • с-1). Для этого поток из источника, рассчитанный в мл/с, делили на величину эффективной площади озвученной зоны на глубине дна (для используемой конфигурации она равна 2 м2). Полученная калибровочная кривая устанавливает связь между уровнем ОРЗ от пузырьков на глубине дна и потоком газа с 1 м2 поверхности дна.

При всплытии пузырька часть метана за счет диффузии переходит из пузырька в воду, а в пузырек из воды поступают азот и кислород. В настоящее время доступна программа SiBu-GUI [5], которая позволяет рассчитать процентное содержание газов во всплывающих пузырьках на разных глубинах. Нами был выполнен специальный эксперимент, направленный на проверку точности работы программы в условиях мелководного арктического шельфа. Для этого у дна с помощью сопла формировали всплывающие пузырьки, состоящие из смеси метана, азота и кислорода, а вблизи поверхности воды пузырьки собирали в ловушку и затем анализировали их на состав газов.

Основные результаты

Анализ видеозаписей калибровки портативного акустического комплекса с помощью искусственного газового факела показал, что средний диаметр выходящих из сопла пузырьков составил 4,9 ± 0,3 мм. Резонансная частота пузырьков такого диаметра много меньше рабочей частоты эхолота (50 кГц), что удовлетворяет необходимому требованию для проведения калибровки по методике [4]. В ходе эксперимента было установлено, что диаметр выходящих из сопла пузырьков газа слабо зависит от величины потока, она влияет лишь на количество выходящих в единицу времени пузырьков. На рис. 3 в качестве примера представлены профили ОРЗ для двух значений потока азота: 4 и 12 мл/с. Видно, что область с пузырьками занимает участок глубин 7,5-6,5 м, а уровень ОРЗ увеличивается при увеличении потока газа.

На рис. 4 приведена калибровочная кривая зависимости уровня ОРЗ от величины потока газа. В широком диапазоне значений потока от 0,02 до 4,7 мл/м-2 • с-1 эта зависимость носит линейный характер, что позволило использовать для расчетов калибровочный коэффициент. С его помощью была выполнена оценка потока газа из естественных источников.

В ходе наблюдений за естественными пузырьками в течение 37 ч зарегистрировано три периода повышенной активности (длительностью от 5 до 15 мин), в течение которых наблюдалось 63 кратковременных выброса газовых пузырьков из морского дна с регистрацией их всплытия в водной толще. На рис. 5 (см. вклейку) приведены типичные примеры эхограмм с всплывающими с морского дна пузырьками. Траектории всплывающих пузырьков в моменты выбросов отображаются на эхограмме в виде прямых линий от дна до поверхности. Наклон этих линий определяется в основном скоростью всплытия пузырьков, которая для зарегистрированных пузырьков составляла 20 ± 2 см/с. Средняя продолжительность одного кратковременного выброса равна 2 ± 0,4 с. Всплытие пузырьков наблюдалось от дна до поверхности, это свидетельствует о том, что в момент выхода естественных пузырьков скорость течения на всех горизонтах была мала - в среднем не превышала 5 см/с.

Акустические наблюдения показали, что всплывающие пузырьки выделяются из морского дна крайне неравномерно: кратковременные периоды повышенной активности чередовались с довольно продолжительными периодами, на протяжении которых выхода

Рис. 3. Профили ОРЗ для двух заданных потоков азота при калибровке. Сплошная линия соответствует потоку 4 мл/с, штриховая - 12 мл/с. Эллипсом выделена область у дна с пузырьками газа

Рис. 4. Калибровочная кривая, построенная по результатам калибровочных измерений

К статье Д.В. Черных, А.С. Саломатина, В.И. Юсупова, Н.Е. Шаховой, В.И. Сергиенко, Д.А. Космач, А.А. Мелузова, И.П. Семилетова «Количественная акустическая оценка потоков метана с припайного льда на мелководном Восточно-Сибирском шельфе»

Рис. 5. Типичные примеры эхограмм со всплывающими с морского дна пузырьками метана в периоды повышенной активности

К статье Е.А. Бессоновой, В.М. Никифорова, С. А. Зверева, А.А. Коптева, В.Б. Залищак «Аномальное магнитное поле северо-западной части залива Петра Великого

(Японское море)»

газовых пузырьков из дна не наблюдалось. Интервалы между периодами повышенной активности составляли около 2,5 ч, что примерно соответствует периоду зарегистрированных внутренних волн, вызывающих колебания скорости течения на различных горизонтах (кривые на рис. 6). Во время выхода пузырьков из морского дна скорости течения на всех горизонтах были малы - не превышали 10 см/с (рис. 6), что подтверждает установленный из анализа эхограмм факт. Можно предположить, что выбросы пузырьков происходили в моменты наиболее низких значений гидростатического давления у дна. Оценки с использованием полученного калибровочного коэффициента показали, что поток метана, обусловленный пузырьковым переносом из дна, в моменты кратковременных выбросов достигал 4,4 мл/м-2 • с-1 при средней величине потока в эти моменты 0,3 мл/м-2 • с-1.

Эксперимент по проверке точности работы программы 81Би-ОШ [5] по расчету газового содержания всплывающего пузырька показал хорошее соответствие реальных и расчетных концентраций газов в пузырьках. Так, согласно измерениям, искусственные пузырьки, состоящие у дна из смеси метана, азота и кислорода в соотношении 81,6; 9,1 и 1,8 %, соответственно, вблизи поверхности воды состояли из смеси этих газов в соотношении 66,2; 21,6 и 5,7 %, соответственно. При этом содержание газов, рассчитанное по программе 81Би-ОШ [5] для пузырька с радиусом 4,5 мм, у поверхности воды составило 69% СН4, 23% N и 6% 02, что хорошо согласуется с экспериментом.

Что касается определения состава газа, переносимого естественными пузырьками, то в месте проведения исследований отобрать для анализа удалось только пузырьки изо льда, который периодически намерзал на поверхности в проруби. Хроматографические измерения показали следующий их состав: 52% СН4, 34% N и 11% 02. Согласно расчету с помощью программы 81Би-Ои1 [5], такое количество метана остается в пузырьке, в котором у дна было ~ 70% метана. Следует отметить, что для процентного содержания метана в пузырьке у дна получена оценка снизу, поскольку до полного вмерзания пузырька в лед метан из него продолжает поступать в воду и за это время содержание метана в пузырьке уменьшается.

Таким образом, на мелководном шельфе моря Лаптевых с поверхности припайного льда дистанционным акустическим методом были зарегистрированы многочисленные кратковременные выбросы пузырьков газа из дна в водную толщу со средней величиной

Рис. 6. Потоки метана (точки) и скорости течения на различных горизонтах. Стрелками отмечены периоды повышенной активности

потока 0,3 мл/м-2 • с-1. Состоящие как минимум на 70% из метана пузырьки всплывали со скоростью 20 ± 2 см/с.

Результаты исследования позволяют сделать вывод о пригодности дистанционного акустического метода, основанного на калибровке in situ гидроакустического оборудования, для количественной оценки потока метана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустические исследования газовых «факелов» Охотского моря // Океанология. 2011. Т. 51, № 5. С. 911-919.

2. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Салюк А.Н., Бельчева Н.Н., Космач Д.А. Аномалии метана в приводном слое атмосферы на шельфе восточно-сибирской Арктики // ДАН. 2007. Т. 414, № 6. С. 819-823.

3. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Бельчева Н.Н. Метан в морях Восточной Арктики // ДАН. 2005. Т. 402, № 4. С. 529-533.

4. Greinert J., Nutzel B. Hydroacoustic experiments to establish a method for the determination of methane bubble fluxes at cold seeps // Geo-Mar. Lett. 2004. Vol. 24. P. 75-85.

5. Greinert J., McGinnis D.F. Single bubble dissolution model: the graphical user interface SiBu-GUI // Environ Model Software. 2009. Vol. 24. P. 1012-1013.

6. IPCC: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I. The Third assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2001. 881 p.

7. Kannberg P.K., Trehu A.M., Pierce S.D., Paull C.K., Caress D.W. Temporal variation of methane flares in the ocean above Hydrate Ridge, Oregon // Earth and Planetary Science Lett. 2013. Vol. 368. P. 33-42.

8. Lelieveld J., Crutzen P.J., Dentener F.J. Changing concentration, lifetime, and climate forcing of atmospheric methane // Tellus. 1998. Vol. 50. P. 128-150.

9. Schneider von Deimling J., Rehder G., Greinert J., McGinnnis D.F., Boetius A., Linke P. Quantification of seep-related methane gas emissions at Tommeliten, North Sea // Continental Shelf Res. 2011. Vol. 31. P. 867-878.

10. Shakhova N., Semiletov I., Salyuk A., Yusupov V., Kosmach D., Gustafsson O. Extensive methane venting to the atmosphere from sediments of the East Siberian Arctic Shelf // Science. 2010. Vol. 327. P. 1246-1250.