Изучение подводных газовых воронок в озерах Ямала

Процесс образования подводных газовых воронок в озерах, их распространение в различных биоклиматических зонах и их морфология совершенно не изучены, но были зафиксированы многими исследователями. Почти нет данных по содержанию метана в озерных отложениях на дне озер и после их спуска в хасыреях. В связи с этим цель работы заключалась в изучении вероятных закономерностей проявлений газовых воронок озер, оценке их размеров и содержания метана в отложениях озерных котловин и хасыреев в биоклиматических зонах северной (арктической), типичной и южной тундр Ямала. При сборе пространственных данных для исследования использовались беспилотные авиационные системы.

• Введение
• Районы работ
• Методика исследования
• Изменение климатических условий полуострова Ямал
• Результаты и обсуждение
  • Размеры и распространение газовых воронок
  • Метан в озерных отложениях
• Выводы

Введение

В последние десятилетия проблема эмиссии метана (СН₄) в связи с потеплением климата всесторонне изучается. Метан является активным парниковым газом с высоким потенциалом глобального потепления. Эмиссия с дневной поверхности в типичных и южных тундрах Арктики и Субарктики может быть серьезным источником поступления метана в атмосферу. Ежегодно в атмосферу с поверхности арктических экосистем выделяется СН₄ от 8 до 29 Tг, что составляет примерно 10 % глобальных выбросов метана от естественных водно-болотных угодий.

Метан, продуцирующийся в мерзлых и оттаивающих породах криолитозоны и эмитирующийся в атмосферу, имеет преимущественно биогенный генезис.

Поступление метана в атмосферу регулируется потоком СН₄ в массиве пород снизу к дневной поверхности. Отсюда следует, что эмиссия метана в атмосферу прямо зависит от его содержания в сезонноталом слое (СТС) и верхних горизонтах многолетнемерзлых пород (ММП). Настоящие исследования содержания и эмиссии метана в доминантных ландшафтах типичной и южной тундры подтвердили, что его эмиссия полностью контролируется ландшафтной структурой. Высокая эмиссия присуща ландшафтам болот (в том числе поймам), полосам стока поверхностных вод и озерным котловинам (хасыреям), в этих же ландшафтах наблюдается самое высокое содержание СН₄ в породах СТС и верхних горизонтах ММП. При повышении температуры воздуха должен возрастать метаболизм микроорганизмов приповерхностных пород, в частности метаногенов. На примере западного побережья Ямала действительно установлено повышение содержания метана в породах СТС при росте их температуры.

Вклад озер в общий поток метана в атмосферу оценивается по-разному. О.А. Анисимов считает, что пузырьковый перенос метана с днищ озер, особенно в прибрежной мелководной их части, является мощным источником СН₄. Прямые наблюдения за эмиссией СН₄ из водной толщи озер показывают, что потоки метана незначительны. Здесь нужно принимать во внимание, что наблюдения за потоками метана из озер методом изолированных камер проводятся в условиях, когда пузырьковые потоки СН₄ со дна озера отсутствуют. Это связано с тем, что пузырьковые выбросы метана происходят импульсивно в течение короткого времени. Пока неясно даже, являются ли участки пузырьковых выбросов метана постоянными или они формируются каждый раз на другом месте. По косвенным данным А. Портнова, время “жизни” пузырьковых потоков в южной части Карского моря составляет часы и первые сутки. Пузырьковые выбросы формируют на дне морей специфические формы рельефа в виде преимущественно округлых воронок диаметром от 10–20 до 600 м и даже в 1000 м, иногда составляющих группы. В исследованиях эмиссии метана со дна арктических морей такие кратерообразные впадины называют покмарками (pockmarks). Очевидно, этот термин может применяться и к воронкам на дне озер (рис. 1), поскольку они образуются при схожих механизмах восходящей миграцией флюидов (т. е. газа или жидкости), в результате высвобождения скопления газа. В обоих случаях, как в сипах из покмарок донных отложений морей, так и в сипах из озерных отложений, метан имеет главным образом биогенный генезис.

Рис. 1. Газовая воронка (покмарка) в отложениях спущенного озера.
Район стационара Еркута, Южный Ямал. Фото П.Т. Орехова.

Сходными по происхождению и морфологии образования являются уникальные явления криолитозоны – “воронки газового выброса”, всесторонне изученные после обнаружения Ямальской “воронки” к югу от Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения в июле 2014 г. Их образование связано с залеганием с поверхности мерзлых отложений (и/или пластовых льдов), препятствующих относительно свободному выходу накопившегося объема газа в приповерхностных отложениях. В отличие от “воронки газового выброса” накопление газа происходит в субаквальных отложениях озер в талых нелитифицированных породах, и для выхода газа не требуется его большого количества под высоким давлением.

В процессе эволюции ландшафтов криолитозоны при климатических изменениях, неотектонических и криогенных процессах иногда происходит осушение озер и формирование хасыреев. После чего начинается освоение осушенных котловин растительностью, промерзание озерных отложений, перестройка микрорельефа, связанная с проявлением мерзлотных процессов, и образование новых специфичных урочищ. Исследования многолетней динамики озер в криолитозоне в условиях потепления климата показали, что в области сплошного распространения ММП наблюдается примерное равенство озер, увеличивающихся по площади и спущенных. В области прерывистой мерзлоты отмечается сокращение площади озер и увеличение площадей заболоченных озерных котловин и хасыреев. Дренирование озер, возможно, происходит за счет более быстрого формирования крупных таликов при потеплении климата.

Процесс образования подводных газовых воронок в озерах, их распространение в различных биоклиматических зонах и их морфология совершенно не изучены, но были зафиксированы многими исследователями. Почти нет данных по содержанию метана в озерных отложениях на дне озер и после их спуска в хасыреях. В связи с этим цель работы заключалась в изучении вероятных закономерностей проявлений газовых воронок озер, оценке их размеров и содержания метана в отложениях озерных котловин и хасыреев в биоклиматических зонах северной (арктической), типичной и южной тундр Ямала.

Районы работ

Изучение распространения и морфологии газовых воронок в озерах проведено на трех участках (рис. 2), расположенных в различных биоклиматических зонах Ямала – северной (подзона C), типичной (подзона D) и южной (подзона E) тундре. В подзоне северной тундры изучены озера в северо-западной части о. Белый, для типичной тундры выбран участок близ полярной станции Марре-Сале, а в южной тундре изучены озера в районе стационара Еркута.

Рис. 2. Карта-схема местоположения ключевых участков работ.
1 – районы работ.

Участок исследования на о. Белый расположен на поверхности первой морской террасы с высотными отметками 8–12 м в окрестностях метеостанции (м/с) им. М.В. Попова. Растительный покров является типичным для северных тундр и представлен маломощными лишайниками и мхами, в переувлажненных ландшафтах присутствуют осоки. Рельеф поверхности плоский, слабо расчлененный. Заозеренность территории составляет около 15 %. Морские отложения представлены засоленными мелко- и тонкозернистыми песками с сингенетическими полигонально-жильными льдами (ПЖЛ). Территория о. Белый приурочена к области сплошного распространения ММП. Среднегодовая температура многолетнемерзлых пород на первой террасе составляла –9.5 °С (1972 г.) и повышалась до –8.6 °С (1978 г.) и –7.1 °С (2009 г.). На морских лайдах среднегодовая температура многолетнемерзлых пород выше на 1.0–1.5 °С. Обычно в озерных котловинах среднегодовая температура выше, чем на основной поверхности, на 1.0– 1.5 °С за счет значительного накопления снежного покрова. Средняя глубина сезонного протаивания на площадке CALM R55A на песчаной поверхности в 2022 г. составила 123 см, на заболоченной супесчаной поверхности на площадке R55 равна 54 см.

На Западном Ямале исследования проводились в районе м/с Марре-Сале на поверхности морской террасы с абсолютными отметками местности 20–29 м. Растительный покров представлен мхами, лишайниками, травами и осоками, также присутствуют кустарничковый (морошка, голубика и брусника) и кустарниковый ярус (ива). Поверхность террасы расчленена оврагами, логами и вложенными озерными котловинами. Заозеренность территории составляет около 12 %. В геологическом строении третьей морской террасы выделяются два яруса. Верхний ярус представлен озерно-аллювиальными и эоловыми незасоленными песчаными и супесчаными отложениями голоценового (МИС 1) и сартанского возраста (МИС 2). Эти отложения вмещают сингенетические ПЖЛ. Ниже по разрезу залегают песчано-супесчано-суглинистые прибрежно-морские отложения каргинского возраста (МИС 3). Основание разреза слагают казанцевские (МИС 5) засоленные морские глины и суглинки. Часто разделить казанцевские и каргинские отложения невозможно, поэтому их объединяют в марресальскую свиту. Отложения МИС 3 и МИС 5 вмещают крупные залежи пластовых льдов. Район относится к области сплошного распространения ММП, мощность твердомерзлой толщи достигает 90 м, ниже залегают охлажденные породы, мощность которых не установлена. Среднегодовая температура ММП на водораздельной поверхности в этом районе повысилась с –6.5 °С (1979 г.) до –5.0 °С (2000 г.) и –4.0 °С (2022 г.). В озерных котловинах среднегодовая температура ММП выше на 1.5 – 1.8 °С. Средняя глубина сезонного протаивания на песчаных поверхностях на площадке CALM R3 в 2022 г. составила около 180 см, на заболоченной поверхности равна 59 см.

На Южном Ямале изучение газовых воронок проведено в районе стационара Еркута Института экологии растений и животных УрО РАН на поверхности второй морской террасы с абсолютными отметками 15–20 м. Растительный покров характерен для южной кустарниковой тундры и представлен травяно-мохово-лишайниковыми ассоциациями. Кустарники ивы достигают высоты 1.0–1.5 м. Поверхность морской террасы плоская, слабо расчлененная. Заозеренность территории превышает 20 %. Четвертичные отложения морской террасы представлены почти исключительно мелкозернистыми незасоленными песками. Район относится к территории сплошного распространения ММП, однако в поймах рек формируются сравнительно глубокие несквозные талики. Среднегодовая температура ММП в этом районе на водоразделе была измерена только в 1979 г. и составила –5.5 °С. По аналогии с темпами повышения температуры ММП на о. Белый и Марре-Сале современная среднегодовая температура ММП здесь ожидается около –2.5…–3.5 °С. В озерных котловинах среднегодовая температура ММП в этом районе выше примерно на 1.5 °С. Средняя глубина сезонного протаивания на увлажненной песчаной поверхности на площадке CALM R58 в 2022 г. составила 101 см.

Таким образом, участки исследования охватывают биоклиматические зоны северной, типичной и южной кустарниковой тундры. Заозеренность территории меняется от 12 % в районе Марре-Сале до более 20 % в районе Еркуты. В геокриологическом отношении все участки наблюдений расположены в области сплошного распространения ММП, диапазон среднегодовых температур ММП составил от –7.0 до –2.5 °С. Следует отметить, что по наблюдениям А.В. Павлова в районе Марре-Сале среднегодовая температура отложений на дне озер при глубине менее 1 м выше среднегодовой температуры воздуха на 6–8 °С и составляет 0...+3.7 °С. Под всеми исследованными озерами существуют несквозные талики. С поверхности отложения сильнольдистые и содержат ПЖЛ, а в разрезах четвертичных отложений Еркуты и Марре-Сале встречаются пластовые льды.

Методика исследования

Исследование подводных воронок в озерах основано на их идентификации по космоснимкам и аэрофотоснимкам с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), статистическом анализе их размеров, формы, характера распределения в пространстве. Первичная идентификация воронок осуществлялась посредством визуального поиска перспективных озер в онлайн-сервисе Яндекс. Карты на базе снимков со спутников WorldView-2, IKONOS, Landsat-7, Sentinel, SPOT-1-5 и др. Были выявлены озера с обширной мелководной частью, в которых предполагалось наличие воронок. На выбранных ключевых участках в полевых условиях была произведена съемка местности с БПЛА. В районе о. Белый съемка осуществлялась с использованием комплекса Геоскан 201 Геодезия (производство Геоскан, Россия) с высоты 500 м. В остальных районах использовался съемочный квадрокоптер зарубежного производителя. В районе Марре-Сале съемка производилась с высоты 500 м, в районе Еркуты – с 330 м.

Пространственное разрешение камер БПЛА позволило идентифицировать объекты размером до 0.5 м. Полученные снимки были подвергнуты геометрической коррекции и преобразованию в картографическую проекцию UTM (WGS-84) в программном комплексе ArcGIS. Для более детального визуального определения воронок производилась цвето-гаммакоррекция снимков. Были дешифрированы бровки озер, области подводных поднятий до глубин около 2 м, все вероятные области газовых воронок. На основе полученных площадных данных рассчитаны основные статистические показатели размеров, площадей распространения, характер распределения размеров воронок. Расчет размеров воронок производился на основе данных о площади воронок при допущении их абсолютно круглой формы. Для оценки пространственного распределения воронок на рассматриваемой площади озер был использован инструмент пакета ArcGIS – “среднее ближайшее соседство” (average nearest neighbor). Данный инструмент позволил измерить расстояние между центрами соседних воронок и усреднить эти расстояния. Если среднее расстояние получилось меньше среднего для гипотетического случайного распределения (коэффициент Nearest Neighbor Ratio (NNR) менее 1), такое распределение объектов считается кластеризированным (объекты объединены в локальные группы). Если NNR более 1 – распределение случайное либо равномерное.

Содержание метана в отложениях озерных котловин было детально определено в районе типичной тундры Марре-Сале. Из пород слоя сезонного оттаивания и верхнего горизонта мерзлых пород были отобраны образцы максимально ненарушенного строения. Отбор проб ненарушенного сложения производился вручную буровой ложкой диаметром 76 мм. Образцы пород в хасырее отбирались режущим кольцом в стенках семи шурфов, пройденных до кровли мерзлых пород с углублением в ММП для отбора мерзлого образца либо до максимально возможной глубины в СТС. Образцы ручным способом доводились до цилиндрической формы объемом около 50 см³, взвешивались с точность 0.01 г и помещались в пластиковые шприцы Жане объемом 150 мл. В каждой точке отбора описывались особенности микрорельефа, состав растительности, обводненность поверхности, литологический состав пород. Определялась суммарная влажность пород через каждые 10 см по стандартной методике. Дегазация образцов производилась в полевых условиях методом HeadSpace. Пробы газа из газовоздушной смеси в шприцах (объемом около 50 мл) закачивались в стеклянные флаконы емкостью 10 мл и затем транспортировались в лабораторию. Анализ концентрации метана был произведен методом газовой хроматографии в Институте микробиологии им. С.Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва) на установке с пламенно-ионизационным детектором Кристалл-2000М (производство Хроматэк, Россия). Точность определения концентрации метана составляет ±5 % от измеряемой величины.

Изменение климатических условий полуострова Ямал

Северная часть Ямала относится к территории с морским арктическим климатом, центральная часть полуострова характеризуется морским субарктическим климатом, в южной части климат умеренно континентальный. В соответствии c широтной зональностью на полуострове наблюдается возрастание среднегодовых температур воздуха с севера на юг. Меняются также и другие климатические характеристики. Для оценок содержания и эмиссии метана имеют значение температура воздуха и продолжительность теплого периода, в течение которого происходит продуцирование метана. Потепление климата на Ямале наблюдается с 1970-х гг. и протекает в среднем со скоростью 0.05 °С/год. Анализ пространственных изменений показал, что на Ямале с 1970 по 2020 г. наблюдалось смещение изолиний среднегодовой температуры воздуха примерно на 80–100 км к северо-востоку.

В табл. 1 приведены значения среднегодовой температуры воздуха и продолжительности теплого сезона за период климатической нормы (1961– 1990 гг.) и для сравнительно холодного 2021 года и теплого 2022 года для трех метеостанций Ямала. В районах о. Белый и Марре-Сале работы проводились в непосредственной близости от метеостанций, а климатические характеристики для Еркуты взяты по данным м/с Салехард, расположенной примерно в 100 км к югу от участка наблюдений.

Таблица 1. Климатические характеристики районов исследований

Как следует из табл. 1, наблюдается устойчивое повышение среднегодовых температур воздуха в направлении с севера на юг. По климатической норме разница между температурой на о. Белый и в Салехарде составляет 4.6 °С, в 2021 г. она была 3.2 °С, а в 2022 г. уже 3.0 °С. По данным табл. 1 можно предположить уменьшение темпа повышения среднегодовых температур воздуха по мере потепления климата. Однако для подтверждения этого явления необходим более детальный анализ климатических данных.

По мере потепления климата с 1970 по 2020 г. возрастает продолжительность теплого периода на о. Белый и Марре-Сале на 17 дней, в районе Салехарда – на 12 дней. Увеличение продолжительности теплого периода происходит преимущественно за счет более позднего осеннего перехода от положительных температур к отрицательным.

Результаты и обсуждение

Размеры и распространение газовых воронок

На каждом участке наблюдений по снимкам БПЛА выбрано по одному озеру с наибольшим числом газовых воронок. Координаты выбранных озер: о. Белый – 73°19′ с.ш., 70°16′ в.д.; Марре-Сале – 69°42′ с.ш., 66°51′ в.д.; Еркута – 68°11′ с.ш., 68°43′ в.д. На рис. 3 приведены фрагменты снимков с БПЛА изученных озер с воронками. Газовые воронки преимущественно расположены в мелководной зоне озер. Не исключено, что воронки могут присутствовать и в более приглубых частях озер, но примененный метод исследования не позволяет проследить их из-за непрозрачности большого слоя воды. Хотя можно отметить, что преобладает мнение о наличии воронок только в мелководной части.

Рис. 3. Снимки БПЛА озера (части озера) с газовыми воронками с выделенными фрагментами увеличенного масштаба и корректированной цветоконтрастной передачей в районе:
а – о. Белый; б – стационар Марре-Сале; в – стационар Еркута. Прямоугольником выделена область фрагмента снимка.

Измерение площади воронок и их диаметров выполнено для всех трех участков. На о. Белый число дешифрированных воронок составило 101, в Марре-Сале – 150, в районе Еркуты – 94. Статистические показатели площади и размеров газовых воронок приведены в табл. 2.

Таблица 2. Статистические показатели площади и размеров газовых воронок озер ключевых участков

Достаточное количество измерений размеров воронок позволило построить кривые распределения встречаемости воронок по размерам (рис. 4).

Рис. 4. Кривые распределения диаметров газовых воронок озер ключевых участков.
1 – о. Белый, 2 – Марре-Сале, 3 – Еркута.

Из табл. 2 и рис. 4 следует, что размеры воронок в разных биоклиматических зонах сильно отличаются друг от друга. В северной (арктической) тундре преобладают воронки диаметром около 1.5 м, их встречаемость составляет около 50 %, воронок с диаметром более 4 м не встречено. Средний диаметр воронок в этом регионе равен (1.9 ± 0.8) м. В типичной тундре наибольшая встречаемость характерна для воронок с диаметром около 4 м и составляет более 40 %. Средний диаметр воронок возрастает до (4.1 ± 1.7) м. Наибольшие воронки обнаружены в районе стационара Еркута, здесь преобладающий диаметр воронок составляет около 8 м, их встречаемость более 35.5 %. Средний диаметр воронок достигает (7.7 ± 2.2) м. Таким образом, результаты изучения размеров газовых воронок дают основания утверждать, что по мере перехода от биоклиматической зоны северной тундры к южной кустарниковой тундре наблюдается 4-кратное увеличение диаметров воронок с 1.9 до 7.7 м. Это, вероятно, связано в первую очередь с более высокой продуктивностью метаногенеза в условиях более высоких температур озерных отложений. Кроме того, известно, что при повышении температуры среды меняется видовой состав метаногенных архей с ускоренным метаболизмом.

Все обнаруженные газовые воронки приурочены к мелководной части озер. Пространственное распределение воронок на изученных ключевых участках озер оказалось различным. Коэффициент NNR для рассматриваемой части озера в районе о. Белый равен 1.07. Среднее расстояние между двумя соседними воронками составило около 5 м. В районе Марре-Сале коэффициент NNR = 0.66, что указывает на объединение воронок в отдельные локальные группы. При этом среднее расстояние между двумя соседними воронками составило около 19 м. В районе Еркута в рассматриваемой части озера коэффициент NNR = 1.24, что указывает на случайное распределение. Среднее расстояние между двумя соседними воронками здесь около 21 м.

Суммарная площадь воронок по отношению к общей площади мелководной части составила 4 % на о. Белый, 0.5 % в районе Марре-Сале и 4.3 % в районе Еркуты.

Метан в озерных отложениях

Данных по содержанию метана в отложениях подозерных таликов исключительно мало. Анализ содержаний СН₄ в илистых современных отложениях озер на Центральном Ямале был проведен группой исследователей под руководством М.О. Лейбман и А.Ю. Хомутова. Ими были отобраны образцы придонного ила со дна четырех озер и определено содержание метана в полужидких донных осадках. Плотность донных осадков изменялась от 1100 кг/м³ в приповерхностной части до 1300 кг/м³ в более глубоких горизонтах. Опробование выполнено на глубину до 15 см от поверхности дна. Результаты приведены в табличной форме. По этим данным построено распределение содержания метана по глубине в донных илах. Поскольку данные по трем озерам оказались очень близки, они были объединены в одну группу. Содержания CH4 в четвертом озере сильно отличались от первой группы, поэтому значения приведены отдельно (рис. 5).

Рис. 5. Распределение концентраций метана по глубине для донных илов в озерах Центрального Ямала.
1 – в озерах 010, 002, 004; 2 – в озере 003; 3 – кривая аппроксимации по экспоненциальной функции.

В качестве функции аппроксимации для первой группы выбрана экспонента, для озера 003 проведение линии аппроксимации не имеет смысла (здесь имеются только три точки).

Как видно на рис. 5, в первой группе озер наблюдается распределение концентрации CH4 по глубине, характерное для диффузионного механизма переноса метана от более глубоких горизонтов к поверхности дна озера. Вблизи поверхности озер концентрация метана близка к нулю, на глубине около 15 см она достигает 7 мл/кг. В донных отложениях озера 003 концентрация метана намного выше и достигает 18.3 мл/кг. Содержания метана в донных отложениях озер в первой группе и особенно в озере 003 значительно превышают фоновые содержания СН₄ в породах сезонноталого и переходного слоев всех типов доминантных ландшафтов типичной тундры. Там содержание метана не превышает 4.5 мл/кг, а обычные значения 2–4 мл/кг. Средняя концентрация метана в озерных отложениях на п-ове Быковский (Северная Якутия) достигает 25 мл/кг. Вероятно, высокие содержания метана в озере 003 и озере на п-ове Быковский свидетельствуют о возможности реализации пузырькового механизма переноса метана с глубины к поверхности дна озер и формирования газовых воронок. В любом случае, можно констатировать, что концентрация СН₄ в озерных отложениях существенно выше по сравнению с отложениями СТС во всех доминантных ландшафтах. Это связано с более высоким уровнем метаболизма и продуцирования метана анаэробными археями при повышенной температуре среды.

Изучение содержания метана в отложениях осушенной озерной котловины (хасырея) проводилось в районе Марре-Сале. Здесь небольшое озеро диаметром около 200 м (69°41′ с.ш., 66°48′ в.д.) и глубиной не более 2 м, расположенное вблизи берега Карского моря на поверхности третьей морской террасы, было дренировано вследствие продвижения оврага, развивающегося по полигонально-жильным льдам от берега к озеру. В 2012 г. граница оврага достигла озера, и за 2012–2013 гг. произошел спуск озера. Осушенная котловина сразу же начала осваиваться пионерной растительностью, и к 2021 г. сформировались растительные ассоциации, отвечающие условиям увлажнения отложений (рис. 6).

Рис. 6. Растительность на дне спущенного в 2013 г. озера по состоянию на 2021 г.
Район Марре-Сале. Фото К.А. Никитина.

Микрорельеф озерной котловины еще не сформировался окончательно, присутствуют хорошо дренированные приподнятые участки и, напротив, переувлажненные и заболоченные понижения. Сохранились небольшие обводненные озерки, следов газовых воронок не обнаружено. На более дренированных участках формируется преимущественно мохово-травянистый покров, на заболоченных участках – мохово-пушицевый. Породы, слагающие озерную котловину, представлены мелкозернистыми песками и супесями. Собственно, озерные отложения мощностью менее 1 м отличаются от коренных прибрежно-морских песков более дисперсным составом (до тяжелых супесей) и более коричневым цветом за счет высокого содержания органического вещества. Подстилающие пески имеют желтовато-серый цвет. Граница между ними достаточно четкая.

В августе 2021 г. через озерную котловину был пройден профиль шурфами на всю глубину сезонноталого слоя, местами с заглублением в мерзлое основание. Всего здесь было пройдено и опробовано восемь шурфов. Результаты определения содержания метана в породах хасырея приведены на рис. 7. На нем представлены также данные опробования содержания метана в отдельно расположенной области (69°42′ с.ш., 66°49′ в.д.) в ландшафте озерной котловины на заболоченном (20MS11) и дренированном (21MS5) участках.

Рис. 7. Концентрация метана в озерных отложениях в районе Марре-Сале.
Номера шурфов: 1 – 21MS13, 2 – 21MS14, 3 – 21MS15, 4 – 21MS16, 5 – 21MS17, 6 – 21MS18, 7 – 21MS19, 8 – 20MS11, 9 – 21MS5.

На рис. 7 отчетливо видно разделение значений концентрации метана на две группы. К первой группе относятся грунты с низкими концентрациями метана (на графике слева), такие концентрации 0.005–0.03 мл/кг присущи дренированным пескам на приподнятых участках рельефа. Концентрации СН₄ здесь исключительно низкие и не отличаются от концентраций на дренированных песчаных ландшафтах вне озера. На обводненных и заболоченных участках концентрация метана существенно выше (на графике справа) и достигает 1 мл/кг, в одном случае она даже составила 2.5 мл/кг. В обоих случаях содержание метана примерно соответствует его концентрациям в аналогичных ландшафтах основной поверхности и контролируется условиями увлажнения.

Детальное изучение содержания метана в породах СТС и подстилающих мерзлых отложениях на пройденном профиле дает возможность оценить пространственное распределение содержания СН₄ в разрезе озерных отложений хасырея (рис. 8). На рис. 8 для лучшей иллюстрации выбрана неравномерная шкала концентраций метана.

Рис. 8. Схематический разрез пространственного распределения метана в отложениях хасырея в районе Марре-Сале.
1–4 – содержание метана в породе (мл/кг): 1 – от 0 до 0.1; 2 – от 0.1 до 0.5; 3 – от 0.5 до 1.0; 4 – более 1; 5 – вода; 6, 7: литологический состав отложений: 6 – песок, 7 – супесь; 8 – граница подошвы сезонноталого слоя; 9 – местоположение и номер шурфа.

Формирование окончательного ландшафтного облика хасырея еще не завершено, происходит сглаживание рельефа, перестроение гидрологического режима, освоение поверхности различными растительными ассоциациями. Поэтому можно считать, что и распределение метана в разрезе полностью не сформировалось. В краевых частях хасырея хорошо выражена слоистая структура распределения метана, для которой характерно низкое содержание СН₄ в приповерхностных слоях отложений. С глубиной содержание метана возрастает. Нижний мерзлый горизонт, у подошвы слоя сезонного протаивания, с самым высоким содержанием метана до 2.5 мл/кг можно трактовать как переходный слой, в котором содержание СН₄ в 2–5 раз выше, чем в верхних горизонтах.

В центральной части хасырея слоистое распределение содержания метана наблюдается только под остаточным озерком, в других частях в центре хасырея слоистого распределения нет. Можно предполагать, что за прошедшие 8–10 лет после осушения озера переходный слой еще не сформировался.

Выводы

Проведенные исследования на о. Белый, в районе Марре-Сале и на стационаре Еркута позволяют сделать некоторые выводы о закономерностях проявления газовых воронок и распределении содержания метана в озерных отложениях Ямала.

Изучено проявление и размеры газовых воронок в озерах в трех биоклиматических зонах Ямала – северной, типичной и южной тундрах. Установлено, что диаметры газовых воронок в среднем закономерно увеличиваются от 1.9 м в северной тундре до 7.7 м в южной кустарниковой тундре вслед за повышением температуры воздуха. Авторы полагают, что это связано с интенсивным продуцированием метана за счет ускоренного метаболизма метаногенных архей при более высоких температурах озерных отложений на юге изученного региона по сравнению с севером.

Все воронки приурочены к мелководной части озер. Распределение воронок по площади озер различное – в озере вблизи Марре-Сале воронки образуют локальные скопления, в озерах в районе о. Белый и стационара Еркута их распределение не закономерное.

Воронки занимают от 0.5 до 4.3 % площади мелководий.

В озерных отложениях содержание метана в два и более раз выше, чем в отложениях сезонноталого и переходного слоев доминантных ландшафтов типичных тундр. Это подтверждает более высокий уровень метаногенеза в озерах по сравнению с сушей. Скорее всего, в озерах с очень высоким содержанием СН₄ в озерных отложениях и может реализовываться пузырьковый механизм выбросов метана и формирование газовых воронок.

Содержание метана в меняющихся ландшафтных условиях недавно образовавшихся и промерзающих хасыреев характеризуется сильной изменчивостью. На примере района МарреСале установлено, что за 8–10 лет, прошедших после осушения озера, продолжаются сукцессионные изменения и формирование переходного слоя.

---

Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.

Авторы статьи: Г.Е. Облогов (Институт криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН, Тюмень, Россия), А.А. Васильев (Институт криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН, Тюмень, Россия), П.Т. Орехов (Институт криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН, Тюмень, Россия; Арктический научно-исследовательский стационар Института экологии растений и животных УрО РАН, Лабытнанги, Россия), А.С. Саввичев (Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН, Москва, Россия), И.Д. Стрелецкая (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия).
Опубликовано в журнале «Криосфера Земли», 2024, т. XXVIII, № 1, с. 50–61 под оригинальным названием «Газовые воронки и метан в озерных отложениях Ямала».