Метан в донных осадках и водном слое над тектоническими разломами в Амурском заливе Японского моря

Вестник ДВО РАН. 2014. № 4

УДК 551.465

Б.А. БУРОВ, Е В. МАЛЬЦЕВА, А.Ю. ЛАЗАРЮК, А С. САЛОМАТИН, Ю.А. ТЕЛЕГИН, Д.В.ЧЕРНЫХ

Метан в донных осадках и водном слое над тектоническими разломами в Амурском заливе Японского моря

Представлены результаты исследования содержания метана в донных осадках и водном слое в районах, прилегающих к тектоническим разломам, и районах без тектонических нарушений в северной части Амурского залива японского моря. Максимальные концентрации метана (вплоть до пузырькового переноса) в донных осадках обнаружены в окрестности линии простирания Муравьёвского тектонического разлома. Это позволяет оценить вклад Муравьёвского разлома в содержание метана в осадках исследованной части залива как наиболее значимый. Роль тектонического разлома, проходящего по центральной линии залива, в накоплении метана в акватории залива незначительна.

Ключевые слова: источники метана в донных осадках, концентрация метана в поровой воде, диффузия газов в донных осадках, проницаемость тектонического разлома.

Methane content in bottom sediments and water layer under tectonic faults in the Amur Bay of the Sea of Japan. B.A. BUROV, E.V. MALTSEVA, A.Yu. LAZARYUK, A.S. SALOMATIN, Yu.A. TELEGIN, D.V. CHERNYKH (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Results of research of methane content in bottom sediments and water layer in the areas contiguous to tectonic faults and in the areas with no tectonic faults in the north part of the Amur Bay of the Sea of Japan are presented. The maximum values of methane concentrations (till the bubble drift) were found in bottom sediments in the vicinity of Muravyevskiy tectonic fault. This provides estimation of Muravyevskiy fault contribution to methane content as the most important. The role of another tectonic fault, which is stretched in direction of the Amur Bay center line, to the methane concentration in sediments and water layer is negligible.

Key words: methane sources in bottom sediments, methane concentration in pore water, gas diffusion in sediments, permeability of tectonic faults.

Геохимические исследования в Амурском заливе Японского моря систематически проводятся с 70-х годов прошлого века и имеют основной своей целью изучение экологического состояния залива в связи с мощным антропогенным воздействием на него г. Владивосток [7, 10, 11] и влиянием стока р. Раздольная [12]. В комплексе геохимических исследований существенная роль отводится изучению содержания метана в водном слое [8] и осадках [9], поскольку метан является индикатором трансформации органических веществ. До настоящего времени повышенное содержание метана в акватории Амурского залива

* БУРОВ Борис Африканович - ведущий инженер, МАЛЬЦЕВА Елена Валерьевна - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, ЛАЗАРЮК Александр Юрьевич - кандидат технических наук, научный сотрудник, САЛОМАТИН Александр Сергеевич - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ТЕЛЕГИН Юрий Александрович - младший научный сотрудник, ЧЕРНЫХ Денис Вячеславович - старший инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: burov@poi.dvo.ru

Исследования выполнены при финансовой поддержке ДВО РАН (грант 12-Ш-А-07-131) и РФФИ (грант 14-05-00294).

связывалось с интенсивным образованием этого газа в верхнем слое осадков в районах сброса промышленных стоков [9], а также с переносом подземными водами и диффузионным проникновением метана из угольных пластов Тавричанского буроу-гольного месторождения, залегающих близко к поверхности дна в северо-восточной части залива [3, 6, 8]. Роль трех тектонических разломов, указанных на геологической карте Амурского залива [2] (рис. 1), как возможных путей выхода глубинного и угольного метана в воды залива до настоящего времени не изучалась. В данной работе газогеохимические

исследования выполнены с целью оценки значимости тектонических разломов как путей поступления метана в донные осадки и водный слой Амурского залива.

Рис. 1. Фрагмент геологической карты Амурского залива [2] с диаграммами концентраций метана в слое осадков 20-30 см. Штрих-пунктирными линиями обозначены тектонические разломы. Цифры на диаграммах соответствуют номерам станций

Методика проведения работ, приборы и методы измерений

Измерения концентрации метана в верхнем слое донных осадков, а также придонном и приповерхностном слоях воды выполнены на 16 станциях (рис. 1). Положение станций отбора проб было определено по геологической карте Амурского залива [2] таким образом, чтобы охватить наибольшую площадь залива и обеспечить максимальное количество пересечений с тектоническими разломами. В результате отбор проб производился в период с 12 по 15 июля 2011 г. на станциях, образующих два разреза: широтный (станции с 1-10 и 13) и меридиональный (станции 11, 12 и 14-16). Станции 1-3 и 11 расположены вблизи линии Муравьёвского разлома [4, 5], станции 9, 10 и 15 примыкают к разлому, проходящему по средней линии залива, а станции 4-8, 12, 14 и 16 находятся на довольно значительном расстоянии от разломов (не ближе чем на 1,4 км).

Район Уссурийского разлома [13] оказался недоступным для отбора проб с борта судна из-за малых глубин (менее 2 м).

Керны донных осадков отбирались двумя прямоточными трубками с рабочей частью 0,8 и 0,5 м. После открытия трубок керны делились на сегменты длиной 5 см, из которых пробы грунта с помощью шприцев переносились в пузырьки емкостью 68 мл, заполненные насыщенным раствором хлористого натрия с добавлением 0,5 мл хлоргексидина.

Отбор проб воды производился из придонного (1 м над дном) и поверхностного (2 м под поверхностью воды) горизонтов с помощью батометров Нискина емкостью 5 л. Для подготовки проб к хроматографическому анализу использовались склянки емкостью 275 мл, которые наполнялись водой из батометра с двойным переливом.

Концентрация метана в газовой фазе отобранных проб донных осадков и воды измерялась на газовом хроматографе «Кристалл-Люкс 4000 М» методом равновесных концентраций. Ошибка измерения составляет ±5 %.

Профили температуры и солености в водном слое на станциях отбора проб изучались с помощью гидрологического зонда SB-19+. Информация о температуре и солености воды использовалась для корректировки результатов измерений концентрации метана на температурные и плотностные условия в момент отбора проб.

Рельеф дна в районах станций и по ходу судна непрерывно регистрировался с помощью двухчастотного (50 и 200 Гц) эхолота <^шипо».

Результаты измерений

Как видно из таблицы и рис. 2, наиболее высокие (более 300 нМ/дм3) концентрации метана в верхнем слое (20-50 см) донных осадков зафиксированы на 2, 3, 6-8, 11 и 12 станциях. При этом станции 2, 3 и 11 расположены на удалении не более 500 м от линии Муравьёвского разлома. Станции 6-8 и 12 удалены от линий разломов на довольно значительное расстояние (не менее чем на 1,4 км).

В пробах осадков со станций 9, 10 и 15, приуроченных к разлому, проходящему по центральной линии залива, концентрации метана в самых глубоких слоях не превышали 236 нМ/дм3, т.е. были значительно ниже, чем на станциях 2, 3 и 11.

Содержание метана в водных горизонтах Амурского залива показано на рис. 3.

Рис. 2. Концентрации метана в донных осадках Амурского залива

Рис. 3. Концентрации метана в придонном (1 м от дна, диаграммы слева) и поверхностном (2 м от поверхности воды, диаграммы справа) слоях воды Амурского залива

Анализ результатов измерений

Для сравнительного анализа распределения метана в донных осадках с высокими концентрациями метана (станции 2, 3, 6-8, 11 и 12) и низкими его содержаниями (остальные девять станций) соответствующие профили концентраций метана построены на рис. 4а, б.

Профили концентрации метана, представленные на рис. 4а, отличаются от профилей на рис. 4б значительно большими градиентами концентраций метана, причем на станциях 2, 3, 6, 7 и 12 с увеличением глубины в осадках градиент возрастает на величину, существенно превосходящую ошибку измерения (рис. 5). Такая же тенденция наблюдалась и в осадках станций 13 и 14, хотя абсолютные значения концентраций метана здесь относительно невелики.

Возрастание концентраций метана с глубиной означает более глубокое положение его источника по отношению к охваченному измерениями слою осадков. Увеличение концентраций по линейному закону (постоянство градиента концентраций) является признаком стационарности процесса поступления метана из глубоких слоев в верхний горизонт

200 400 600 800 1000 нМ/дм5 0 200 нМ'Дм3

0 5 10

-

20  >*.» Ч,   *

• •

30 35 40 *

.6 2 •

3" "12 11

50 8 7

« 5

5 10 к

£ 15 20 25 30 35 40 45 50

Рис. 4. Профили концентраций метана в донных осадках Амурского залива. Станции: а - с относительно высокими, б - с относительно низкими концентрациями

Г V

—

*- а

ф Ч

. V1513

165 ,10

I_: 4—--

Номер Координаты Длина керна, Номер Глубина точки Концентрация

станции станции см горизонта анализа, см метана, нМ/дм3

1* 43°11,938' с.ш. 24 1 2 52

131°54,889' в.д. 2 10 90

3 15 108

4 22 246

2 43°11,938' с.ш. 32 1 2 23

131°54,490' в.д. 2 10 58

3 15 159

4 22 319

5 30 582

3 43°11,968' с.ш. 40 1 3 27

131°54,220' в.д. 2 5 30

3 10 47

4 15 58

5 22 114

6 30 250

7 38 472

4 43°11,945' с.ш. 32 1 3 36

131°52,905' в.д. 2 10 75

3 15 80

4 22 78

5 30 89

5 43°11,889' с.ш. 32 1 2 96

131°50,991' в.д. 2 15 141

3 30 90

6 43°12,250' с.ш. 36 1 2 42

131°46,0' в.д. 2 6 38

3 10 118

4 16 129

5 21 160

6 28 256

7 34 471

7 43°12,190' с.ш. 47 1 3 72

131°46,844' в.д. 2 10 148

3 15 190

4 20 237

5 28 310

6 45 604

8 43°12,0' с.ш. 46 1 10 149

131°47,703' в.д. 2 15 223

3 20 309

4 25 384

5 31 452

6 44 476

9 43°11,942' с.ш. 40 1 3 100

131°48,509' в.д. 2 10 144

3 15 181

4 20 211

5 38 236

10 43°11,9' с.ш. 36 1 2 125

131°49,28' в.д. 2 5 126

3 10 98

4 15 103

5 34 147

11 43°07,0' с.ш. 36 1 3 116

131°50,0' в.д. 2 9 155

3 15 417

4 20 643

5 34 875

Окончание таблицы

Номер Координаты Длина керна, Номер Глубина точки Концентрация

станции станции см горизонта анализа, см метана, нМ/дм3

12 43°09,0' с.ш. 39 1 2 49

131°50,0' в.д. 2 6 32

3 10 49

4 15 136

5 20 208

6 25 244

7 30 325

8 37 522

13 43°11,965' с.ш. 27 1 3 27

131°53,721' в.д. 2 5 37

3 10 67

4 20 130

5 25 199

14 43°15,0' с.ш. 40 1 2 26

131°50,0' в.д. 2 5 23

3 10 31

4 15 38

5 20 39

6 30 79

7 38 236

15 43°13,500' с.ш. 31 1 3 34

131°50,0' в.д. 2 5 58

3 10 67

4 15 79

5 20 86

6 29 107

16 43°10,500' с.ш. 32 1 2 41

131°50,0' в.д. 2 5 27

3 15 26

4 20 30

5 30 47

* Керн донного грунта со станции 1 признан непригодным для анализа влияния глубинных источников на содержание метана в донных осадках из-за его малой длины (24 см).

Рис. 5. Градиент концентрации метана между центрами наиболее глубоких слоев осадков Амурского залива

Рис. 6. Аппроксимация профиля концентраций метана в осадках на станции 3 до глубины 145 см. На вставке показаны первые 40 см с увеличенным разрешением по оси у. Горизонтальная линия соответствует предельной концентрации метана в морской воде с соленостью 35 %% при температуре 15 °С и отсутствии других растворенных газов

донных осадков при условии постоянства эквивалентного коэффициента диффузии (т.е. коэффициента диффузии с учетом движения поровой воды). Однако эквивалентный коэффициент диффузии не может быть постоянным по глубине, так как в верхнем слое донных осадков (0-0,5 м) с глубиной существенно изменяются пористость [14], интенсивность биотурбаций [15] и температура [1], а значит и скорость конвективных движений поровой воды. Быстрый (на порядок в верхних 5 см [14]) рост эквивалентного коэффициента диффузии метана по мере приближения к поверхности дна теоретически может во много раз уменьшить концентрацию метана в диффузионно-конвективном потоке при неизменном значении самого потока. Потребление метана в верхнем слое осадков процессами сульфатредукции и аэробного окисления также снижает его концентрацию, причем в этом случае уменьшается и поток растворенного в поровой воде метана. Восполнить снижение концентрации метана, растворенного в поровой воде (полностью или частично), при приближении к поверхности дна может метан, дрейфующий в осадках в газовой фазе.

Оценить поток метана, который должен поступать из глубинных горизонтов в слой осадков 0-40 см для поддержания неизменным измеренного профиля концентраций метана с учетом скорости образования метана в этом слое, его потребления и потока в водный слой на основе выполненных измерений или результатов других геохимических исследований в Амурском заливе, не представляется возможным. Поэтому для грубой оценки глубины в осадках, на которой возможно насыщение поровых вод растворенным метаном, предположим, что зависимость концентрации метана от глубины в осадках, полученная экспериментально (для примера выбрана станция 3), сохраняется и на больших глубинах,

чем максимальная длина керна. Аппроксимирующая функция для профиля концентраций метана в осадках станции 3 с достоверностью R2 = 0,99 является экспонентой, и ее значения достигают уровня насыщения метаном морской воды с соленостью 35 %о (2,4 мМ/л) на глубине 143 см (рис. 6). Очевидно, что эта оценка является весьма грубой, поскольку аппроксимация построена на относительно малом по глубине отрезке экспериментальной кривой. Тем не менее порядок величины (первые метры под поверхностью дна) косвенно подтверждается результатами сейсмо-акустического зондирования в районах станций 2, 3, 6, 7, где на глубинах 2-3 м от дна зарегистрированы области «акустической мутности» [3]. Прямым подтверждением наличия газовой фазы в донных осадках в районе станции 3 является эманация пузырьков газа из осадков в

Рис. 7. Кадр видеозаписи процесса эманации газа из донных осадков Амурского залива в районе станции 3. Обведены всплывающие пузырьки газа

водный слой, зарегистрированная при осмотре дна с помощью видеокамеры. Видеозапись производилась 8 января 2011 г. последовательно из двух лунок, разнесенных друг от друга на 25 м. Всплывающие пузыри фиксировались из каждой лунки (рис. 7).

Обращают на себя внимание зависимости концентраций метана от глубины в осадках на станциях 6, 7 и 12 (рис. 4а). Их характер очень близок к профилям концентраций на станциях 2 и 3, которые расположены в непосредственной близости от линии простирания Муравьёвского разлома. На эхограммах дна (рис. 8), полученных при прохождении судна над точками 2 и 6, видны крупные неоднородности донного рельефа. Для станции 2 их можно отнести к поверхностным признакам Муравьёвского разлома, а для станции 6 предположительно классифицировать как оперяющие тектонические нарушения, связанные либо с Уссурийским разломом, либо с непроницаемым в настоящее время разломом, проходящим по центральной линии залива.

Как отмечалось выше, на стациях 9, 10 и 15, приуроченных к разлому, простирающемуся по центральной линии залива, метана в осадках оказалось более чем в 2 раза меньше, чем на станциях 2, 3 и 11. Такие концентрации метана в осадках на глубинах более 20 см говорят о непроницаемости в настоящее время этого разлома, по крайней мере в выбранных точках измерения. Причиной низкой проницаемости тектонического разлома в центральной части залива может быть мощная осадочная толща.

Представляет также интерес сопоставление распределения по площади залива содержания метана в донных осадках с его концентрацией в водном слое. Сравнивая диаграммы, представленные на рис. 2 и 3, нельзя не отметить весьма приблизительное соответствие максимумов концентраций в водных слоях (даже в придонном) и донных осадках. Так, абсолютный максимум концентрации метана в придонном слое воды по результатам наших измерений приходится на район станции 6, а в приповерхностном слое воды этот максимум оказывается в районе станции 1, в то время как содержание метана в поверхностном слое донных осадков максимально в районе станции 11. Такие несовпадения, по-видимому, объясняются динамикой вод Амурского залива и в очередной раз ставят вопрос об относительной информативности измерений концентрации газов в водном слое без учета (моделирования) ореолов рассеивания в тех случаях, когда речь идет об исследовании источников газов, поступающих в водный слой.

Выводы

Максимальные концентрации метана в донных осадках северной части Амурского залива Японского моря обнаружены в районах, прилегающих к линии простирания Муравьёвского тектонического разлома (станции 2, 3, 11). Сравнение результатов

'ШИВ

I пуоння.м Хил Ь лрййф. и Хсд 1.4ки ДРСИФ1Э0*.

Рис. 8. Эхограммы участков дна Амурского залива, полученные при прохождении судна над точками станций 2 и 6. Стрелка указывает на точку отбора керна донного грунта

измерений концентрации метана на этих станциях (472-875 нМ/дм3) с результатами измерений на станциях 4, 12-14, 16 (89-522 нМ/дм3), удаленных от линий простирания разломов, позволяет оценить воздействие Муравьёвского разлома на содержание метана в осадках исследованной части залива как наиболее значимое. Этот разлом создает зону повышенного содержания метана вдоль линии своего простирания. С учетом того, что он проходит вдоль всего восточного берега Амурского залива, его влияние на общее содержание метана в водах залива может оказаться определяющим.

Вклад тектонического разлома, проходящего по центральной линии залива, в концентрацию метана в акватории залива незначителен.

В результате исследования в северо-западной части Амурского залива, примыкающей к мысу Песчаный (станции 6-8), выделен район, который содержит метан в высоких концентрациях в осадках и водном слое. В этом районе по аномалиям гравитационного поля фиксируется широтный разлом, ограничивающий мыс Песчаный с севера (Р.Г. Кулинич, устное сообщение).

Дальнейшее изучение проблемы оценки количества метана, поступающего в акваторию Амурского залива Японского моря из тектонических разломов, требует проведения газогеохимических исследований на акватории всего залива, в особенности в районах, прилегающих к Уссурийскому разлому.

Авторы выражают благодарность научному сотруднику лаборатории газогеохимии ТОИ ДВО РАН О.Ф. Верещагиной за проведение газохроматографических анализов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Буров Б.А. Математическое моделирование профилей температуры в донных осадка Амурского залива Японского моря // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря / под ред. акад. В.А. Акуличева. М.: ГЕОС, 2008. С. 435-437.

2. Государственная геологическая карта Российской Федерации масштаба 1 : 200 000. Изд. 2-е. Ханкайская серия. Л-52-XII (Владивосток), К-52-XVIII (Зарубино). Владивосток: Приморская поисково-съемочная экспедиция, 2002.

3. Карнаух В.Н., Суховеев Е.Н., Листровая И.А. Высокоразрешающие сейсмоакустические исследования скоплений газа в голоценовых донных отложениях Амурского залива (Японское море) // Вестн. ДВО РАН. 2011. № 3. С. 56-64.

4. Кулинич Р.Г., Васильев Б.И., Строев П.А., Шевалдин Ю.В. Геолого-геофизические данные о строении шельфа и континентального склона залива Петра Великого (Японское море) // Вопросы геологии и геофизики окраинных морей северо-западной части Тихого океана. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1974. С. 134-144.

5. Кулинич Р.Г. Особенности глубинного строения Приморского края по геолого-геофизическим данным: дис. ... канд. геол.-минер. наук / Дальневосточный геологический институт ДВНЦ АН СССР, Приморский ТГФ. Владивосток, 1970. 400 с.

6. Мишукова Г.И., Гресов А.И., Верещагина О.Ф., Мишуков В.Ф. Природные аномалии метана на акватории залива Петра Великого Японского моря // IV Междунар. экол. форум «Природа без границ». Владивосток, 2009. С. 211-213.

7. Наумов Ю.А. Антропогенезис и экологическое состояние геосистемы прибрежно-шельфовой зоны залива Петра Великого Японского моря. Владивосток: Дальнаука, 2006. 200 с.

8. Обжиров А.И., Мишукова Г.И., Мишуков В.Ф. Газогеохимические индикаторы подземных и наземных вод Приморья и морских вод залива Петра Великого // Современное экологическое состояние залива Петра Великого Японского моря / под ред. Н.К. Христофоровой. Владивосток: ДВФУ, 2012. С. 239-251.

9. Окулов А.К. Газогеохимическое исследование Амурского залива // Океанологические исследования: материалы V конф. молодых ученых. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2011. С. 108-110.

10. Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря / под ред. В.Б. Лобанова, А.С. Астахова. М.: ГЕОС, 2008. 460 с.

11. Современное экологическое состояние залива Петра Великого Японского моря / под ред. Н.К. Христофоровой. Владивосток: ДВФУ, 2012. 438 с.

12. Тищенко П.Я., Вонг Ч.Ш., Волкова Т.И. и др. Карбонатная система эстуария реки Раздольной (Амурский залив Японского моря) // Биология моря. 2005. Т. 31, № 1. С. 51-60.

13. Уткин В.П., Неволин П.Л., Митрохин А.Н. Позднепалеозойский и мезозойский планы деформаций юго-западного Приморья // Тихоокеан. геология. 2007. Т. 26, № 4. С. 3-21.

14. Iversen, N., Jorgensen B.B. Diffusion coefficients of sulfate and methane in marine sediments: influence of porosity // Geochim. Cosmochim. Acta. 1993. Vol. 57. P. 571-578.

15. Middelburg J.J., Soetaert K., Herman P.M.J. Empirical relationships for the use in global diagenetic models // Deep-Sea Res. Pt 1. Oceanogr. Res. Pap. 1997. Vol. 44 (2). P. 327-344.