Метан в пластовых льдах Восточной Чукотки как индикатор их генезиса

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Пластовые льды – это выделенные по форме залегания (горизонтально или наклонно) ледяные скопления мощностью от 0.3–0.5 м до 30–50 м и протяжённостью от нескольких десятков метров до 1 км и более. Глубина залегания варьирует от 3–5 м до первых сотен метров (Втюрин, 1975).

Пластовые льды активно исследуются с 1960-х годов. Первые залежи были обнаружены в Западной Сибири и на Чукотке. Впоследствии география пластовых льдов расширилась и к настоящему времени они обнаружены в Большеземельской тундре, на Полярном Урале, Таймыре, Арктических островах, северо-западе Канады, Канадском Арктическом архипелаге и на Аляске. Актуальность их исследования связана с двумя основными проблемами. Первая относится к палеогеографии: понимание механизмов образования конкретных ледяных залежей, а также корректная интерпретация их структуры, химического и изотопного состава позволяют восстановить историю формирования и промерзания вмещающих отложений. Вторая проблема связана с рельефообразующей деятельностью приповерхностных ледяных залежей, которые при определённых условиях способствуют процессу криогенного оползания, проявляющемуся в виде движения переувлажнённых оттаявших пород слоя сезонного оттаивания по кровле ледяной залежи с формированием особых форм рельефа – термокаров и термоцирков. При этом индикация пластовых льдов затруднена из-за их слабой связи с рельефом и растительностью. Дополнительные трудности вносит большое разнообразие генетических типов пластовых льдов, каждый из которых формируется благодаря сложному сочетанию локальных экзогенных, криогенных и, реже, эндогенных процессов (например, Васильчук, 2012).

Определение генезиса пластовых льдов остаётся ключевым вопросом при их исследовании. На сегодняшний день существует несколько десятков гипотез, объясняющих механизм формирования пластовых льдов, которые можно разделить на две группы. Первая подразумевает аллохтонное (погребённое) происхождение пластовых льдов. Погребённым может оказаться ледниковый, наледный, морской, речной, озёрный лёд, или даже снежник. Сторонниками гипотезы первично-поверхностного (синоним погребённого) происхождения является ряд крупных исследователей: Ф.А. Каплянская, С.Ю. Королёв, Л.Н. Крицук, И.А. Некрасов, В.И. Соломатин, В.Д. Тарноградский, Н.В. Тумель и др.

Вторая группа гипотез предполагает внутригрунтовое (автохтонное) происхождение залежей. Выделяются несколько механизмов формирования: инъекционный, инъекционно-сегрегационный, сегрегационный, повторно-инъекционный, вакуумно-компрессионный. Разработкой механизмов внутригрунтового генезиса занимались: В.В. Баулин, Б.И. Втюрин, Ю.К. Васильчук, Ш.Ш. Гасанов, И.Д. Данилов, Г.И. Дубиков, Т.Н. Жесткова, М.М. Корейша, А.Н. Котов, Дж. Росс Маккай, А.И. Попов, А.Н. Хименков, Л.М. Шмелев, Н.А. Шполянская, Ю.Л. Шур и др. Стоит заметить, что большое количество выявленных механизмов формирования пластовых льдов позволяет говорить, что термин «пластовый лёд» отражает морфологию залежеобразующего ледяного тела, а не несёт какой-либо генетической нагрузки.

Очень важным вопросом является определение возраста пластовых льдов. Для Восточной Чукотки это особенно важно, поскольку различия в изотопных характеристиках позднеплейстоценовых и голоценовых подземных льдов здесь не столь существенны, как в более западных районах Российской Арктики. Это приводит к ошибкам в определении возраста пластовых льдов. Эта проблема частично решена в работе Ю.К. Васильчука с коллегами, где с помощью прямого AMS датирования пластовых льдов Восточной Чукотки (включая те залежи, которые рассматриваются в данной статье) показано, что они формировались приблизительно 22–28 тыс. лет назад (Vasil’chuk et al., 2024).

В последние десятилетия всё большее внимание уделяется газовой компоненте многолетнемёрзлых пород, в частности её химическому составу. Часть исследований газовых включений в залежеобразующих льдах посвящена изотопному составу углерода, кислорода и водорода (Стрелецкая и др., 2018; Semenov et al., 2020). Также предпринимаются попытки установить распределение и соотношение газов в различных видах подземных льдов (пластовых, повторно-жильных, текстурообразующих), причём наибольшее внимание уделяется метану (CH₄) (Kraev et al., 2017; Семенов и др., 2023).

Исследования А.А. Архангелова и Е.В. Новогородовой (1991) показали, что высокие концентрации метана (27.5%) характерны для инъекционных льдов, а в сегрегационных и ледниковых льдах состав газов близок к атмосферному. Предполагается, что высокие концентрации микробного метана, в таких объектах, как пластовые льды, можно использовать в качестве индикатора условий формирования ледяного тела и промерзания грунтовой толщи. Считается, что присутствие метана в отложениях обуславливается его формированием в процессе жизнедеятельности метаногенных бактерий при положительных температурах и последующей криоконсервацией. Однако по мнению некоторых исследователей (Ривкина и др., 2006) метан может формироваться и в уже промёрзших грунтах, в процессе эпикриогенного метаногенеза, за счёт адаптации бактерий к условиям отрицательных температур. Применение криолитологического, изотопного и геохимического подходов для исследования пластовых льдов позволяет делать обоснованные предположения об их механизме формирования.

Восточная Чукотка – один из регионов широкого распространения пластовых льдов. Они описывались в 1960-х годах Ш.Ш. Гасановым (1969), который использовал только криолитологический метод. Генезис большинства залежей был определён как повторно-инъекционный. В последнее десятилетие был опубликован ряд статей, посвящённых залежам пластовых льдов в районе села Лаврентия на Восточной Чукотке. В частности, были опубликованы сведения о криолитологическом строении и изотопном составе залежей и выдвинуты предположения об их генезисе (Васильчук, 2016; Васильчук и др., 2018, 2018a). Однако генезис некоторых залежей на данный момент остаётся дискуссионным (Маслаков и др., 2018; Белова и др., 2019; Vasil’chuk et al., 2021; Маслаков и др., 2021).

Цель исследования – анализ генезиса пластовых льдов на основе данных о концентрации метана в газовых включениях пластовых льдов и сопоставление полученных результатов с выводами о генезисе рассматриваемых залежей по независимым данным. В период с 2018 по 2022 г. авторами был собран полевой материал и получен химический состав газовых включений в четырёх залежах пластовых льдов.

РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ

К территории Восточной Чукотки относится часть Чукотского полуострова, ограниченная с запада хребтом Искатень Чукотского нагорья, с севера она омывается Чукотским морем Северного Ледовитого океана, с востока – Беринговым проливом. С юго-востока, юга и юго-запада Чукотский полуостров окружён водами Берингова моря Тихого океана (рис. 1). На исследуемой территории расположено несколько поселений, наиболее крупные из которых – Уэлен, Лаврентия, Лорино и Провидения.

 

Рис. 1. Район исследований и изученные обнажения пластового льда: 1 – среднегодовая температура пород, °C; 2 – залежи пластовых льдов; 3 – высота над ур. моря

Fig. 1. Study area and studied massive ice outcrops: 1 – mean annual ground temperature, °C; 2 – bodies of massive ice; 3 – altitude above sea level

 

В структурном отношении данная территория – часть крупной Анюйско-Чукотской мезозойской складчатой системы, состоящей из антиклинальных и синклинальных зон, а также горстовых поднятий (Колесников, Плахт, 1989). В районе проведения исследований складчатый рельеф проявляется в виде хребта Гэнканый (Тенианый), обрамлённого со стороны моря узкой полосой плоских поверхностей: ледниковой и водно-ледниковой плейстоценовой равниной, а также серией морских и ледниково-морских террас (Maslakov et al., 2021). Поверхности голоценового возраста представляют собой морские галечниковые косы и поймы рек.

Климат побережья Чукотского полуострова арктический и субарктический морской (Kottek et al., 2006). Среднегодовая температура воздуха в пос. Уэлен, расположенном в 90 км к северу от района исследований, составила –5.9 °C (http://meteo.ru/data) за 1992–2022 гг., средняя температура января составила –19.6 °C., а июля – +7 °C. Метеорологические наблюдения (http://meteo.ru/data) фиксируют тренд к повышению среднегодовой температуры воздуха: по данным метеостанции Уэлен, с 1980 по 2022 г. рост составил 0.8 °C/10 лет.

Участок исследований относится к зоне типичной тундры. Типичные тундры расположены на низких геоморфологических уровнях и подразделяются на кочкарно-пушициевые и мохово-лишайниковые, долины рек заняты кустарничко-травянистыми сообществами (Maslakov et al., 2021). Широко распространены примитивные горно-тундровые и тундрово-болотные мерзлотные почвы.

Многолетнемёрзлые породы имеют сплошное распространение. Несквозные талики (мощностью до 40 м) встречаются только в нижнем течении крупных рек и под самыми крупными термокарстовыми озёрами. Температура мёрзлых пород составляет в среднем –8 °C в осевых частях горных хребтов и –2…–4 °C в долинах рек и на побережье, однако прямых наблюдений за температурой пород ниже уровня нулевых годовых колебаний здесь не производилось (Obu et al., 2019). Мощность мёрзлых толщ меняется от 500–700 м в самых высоких частях хребтов до 200–300 м в долинах внутренней, удалённой от моря части Чукотского полуострова и на побережье (Колесников, Плахт, 1989). Предполагается, что формирование мёрзлых пород Чукотки началось в горных районах в начале плейстоцена (Свиточ, 1980). Исследователи (Гасанов, 1969; Свиточ, 1980) отмечают сложность и многоярусность в строении мерзлоты, а также указывают на её полигенетическое происхождение. Ш.Ш. Гасанов (1969) на основании криолитологического строения утверждает, что мерзлота на морских равнинах и террасах Чукотки сформировалась при эпигенетическом промерзании пород в позднем неоплейстоцене. Признаком эпигенетического промерзания он считает наличие залежей пластовых льдов. Схожую гипотезу развития мерзлоты Чукотки предлагает и А.А. Свиточ (1980), принимая пластовые льды в отложениях морских и ледниково-морских равнин и террас за признак их эпигенетического промерзания в эпоху поздненеоплейстоценового криохрона. При этом отмечается, что мёрзлые породы речных террас и пойм имеют синкриогенное происхождение, что подтверждается их криолитологическим строением и наличием повторно-жильных льдов.

По результатам инструментальных измерений в 2000–2019 гг. глубина сезонного оттаивания варьирует от 53.9 см в торфяниках до 67.4 см в суглинистых отложениях. Наблюдается устойчивый рост глубины сезонного оттаивания пород, что косвенно влияет на активизацию эрозионных процессов в криолитозоне, в том числе на активизацию термоденудационных процессов и рост термоцирков, в стенках которых вскрываются пластовые льды.

Залежи пластовых льдов на изучаемой территории вскрываются в береговых обрывах позднеплейстоценовых равнин и террас в окрестностях села Лаврентия (см. рис. 1). Размеры залежей различны – от нескольких до первых десятков метров в ширину, видимая мощность варьирует от 1.5 до 6–7 м (Vasil’chuk et al., 2021). Наличие пластовых льдов способствует возникновению комплексной деструкции и формированию крупных термоцирков (Маслаков и др., 2021).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Полевые исследования. В полевых условиях проводилось криолитологическое описание обнажений, включающих пластовые льды. Устанавливались форма ледяного тела, его размеры, элементы залегания (направления простирания, углы падения, видимые дислокации и др.), соотношение с породами и элементами рельефа. В ходе визуального описания ледяного тела отмечались форма, размеры и распределение воздушных и органоминеральных включений, а также другие структурные особенности, видимые в обнажении. При необходимости производилась дополнительная расчистка обнажения. По результатам визуального изучения обнажения намечались места детальных исследований и опробования.

Проводился отбор образцов для проведения газового и изотопного анализа льда. В геохимическом анализе был сделан упор на определение состава и концентрации газов в газовых включениях внутри льда. Для выделения газовой компоненты применялся метод «headspace» (Alperin, 1985). Для начала из мёрзлой стенки обнажения отбирался достаточно крупный (около 5–10 см по большей оси) монолит льда или породы. При помощи почвенного ножа из него вырезали образец массой около 50 г, который помещали в шприц объёмом 150 мл, после чего шприц заполняли концентрированным раствором поваренной соли (суммарный объём раствора и образца равнялся 100 мл) и на 50 мл атмосферным воздухом. Все эти манипуляции проводились за короткое время (не более 30 секунд). Далее шприц плотно фиксировался скотчем, герметизировался и доставлялся в полевую лабораторию, где уже находились специально подготовленные стеклянные флаконы («медицинские пенициллиновые флаконы»), заполненные высококонцентрированным солевым раствором (без воздуха). После оттаивания образца в шприце проводились измерения массы шприца с грунтом и раствором, а также определение объёмов жидкости (взвеси) и воздуха. Наконец, проводилась закачка воздуха из шприца во флаконы с солевым раствором (NaCl) при помощи двух игл 0.8 мм в диаметре (по одной поступал воздух из шприца, по другой под давлением отводился солевой раствор). Для обеспечения гидрозатвора во флаконах сохранялась часть солевого раствора (около 1 мл), а в процессе хранения и транспортировки они содержались в перевёрнутом состоянии. Флаконы, заполненные воздухом, упаковывались и доставлялись в лабораторию. До измерений флаконы хранятся в холодильнике при достаточно низкой температуре +3 °C для ингибиции деятельности бактерий, разложения органики и фотосинтеза (в случае случайного попадания в образец фотоавтотрофных организмов) и предотвращения загрязнения образца.

Определение концентраций метана. Газохроматографический (далее – ГХ) анализ углеводородных газов (далее – УГ) С1–С5 в газовой/паровой фазе талой воды льдов выполнен на газовом хроматографе Shimadzu GC 2014, оснащённом капиллярной колонкой Restek Rt-Aluminia BOND/Na2SO4 (40 м) и пламенно-ионизационным детектором (ПИД). В качестве газа-носителя использовали гелий при скорости потока 25 мл/мин.

Для калибровки приборов использовалась сертифицированная газовая смесь (ГЭТ 154-2001) (ГОСТ 8.578-2002), включающая 11 углеводородных газов (метан, этан, этилен, пропан, пропилен, i-бутан, n-бутан, бутен-1+ i-бутилен, i-пентан, n-пентан). Погрешность измерений ГХ не превышала ±2.5%.

Так как собранные образцы пластовых льдов имели разный объём, то для удобства их сравнения полученные на хроматографе концентрации метана были пересчитаны с учётом объёма образца (из ppm в ppmv). Величина ppm (parts per million / миллионные доли) является безразмерной и может быть применена к любой концентрации вещества (по массе или по объёму), в то время как величина ppmv (parts per million by volume / объёмные миллионные доли) чётко указывает на концентрацию вещества в определённом объёме.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изученные залежи пластового льда. В результате отмеченного ранее роста приземной температуры воздуха на территории Восточной Чукотки отмечается активизация эрозионных процессов, в частности, образование криогенных оползней (англ. retrogressive thaw slumps), которые часто развиваются в отложениях, содержащих залежи пластового льда. Изучение пластовых льдов ведётся коллективом авторов с 2016 г. Всего было изучено шесть залежей льда на относительно локальном участке севера Мечигменского залива и южного побережья залива Лаврентия (Vasil’chuk et al., 2021). Однако в данной работе рассматриваются только те из них, для которых было выполнено исследование содержания метана в газовых включениях внутри льда.

Залежь «23-й км-Запад». Пластовая ледяная залежь на побережье Мечигменского залива (рис. 2), в 8.3 км к западу от устья р. Аккани (Чульхевеем), напротив пикета «23 км» дороги «Лаврентия-Лорино». Лёд обнаружен в 2018 г. в термоцирке шириной около 30 м с абсолютными отметками днища около 6 м над ур. моря.

 

Рис. 2. Залежь пластового льда «23-й км-Запад», исследованная в 2018 г. (Vasil’chuk et al., 2021)

Fig. 2. Massive ice body “23 km-West”, studied in 2018 (Vasil’chuk et al., 2021)

 

Обнажение вскрывается в позднечетвертичных отложениях (Свиточ, 1980), формирующих морскую террасу с отметками 30–50 м над ур. моря. Видимая мощность пласта льда изменяется от 1.5 до 2.5 м. Кровля ровная, несогласная с перекрывающими отложениями, подошва уходит под оплывину. Мощность перекрывающих отложений в центральной части цирка составляет около 1 м, увеличиваясь к краям до 5–7 м. Это несортированные суглинки тёмно-бежевого цвета с включениями валунов и гнёзд торфа. Лёд чистый, пузырчатый, пузырьки не имеют строгой ориентировки и достигают 3–5 мм в поперечнике. Слоистость во льду прослеживается лишь в верхней части залежи; грунтовые прослои, залегающие согласно кровле пласта, обнаружены по краям ледяного тела. Основная часть пластового льда – чистый пузырчатый лёд, практически лишённый грунтовых включений. В поляризованном свете лёд крупнокристаллический, размер кристаллов 1–2 (до 5) см в поперечнике. Для слоистого льда характерны более мелкие кристаллы (несколько мм). Данный термоцирк вложен в более старый, и вытаивающий пластовый лёд составлял некогда нижнюю или среднюю часть более массивного ледяного тела, частично деградировавшего в результате образования предыдущего. Концентрация метана в газовых включениях в 7 исследованных пробах стабильна и составляет от 3 до 4 ppmv, что близко к концентрации метана в атмосфере (1.8 ppmv). Распределение метана по вертикальному профилю – равномерное.

Залежь «ПТН». Пластовая ледяная залежь располагается в термоцирке на берегу залива Лаврентия, в 7 км к югу от села Лаврентия, недалеко от Пункта технического наблюдения за ледовой обстановкой (рис. 3). Исследовалась с 2018 по 2021 г. Вертикальная мощность залежи около 2.5 м, верхний контакт ровный, чёткий. В перекрывающем слое суглинки тёмно-серые, с включениями гравия, вертикальной и горизонтальной линзовидной криогенной текстурой (лёд заполняет трещины между плитчатыми отдельностями суглинка), иногда корковой, если в породе большое скопление гравия. Пластовая залежь представлена чистым, дислоцированным слоистым льдом (см. рис. 3, б). Слои мощностью от 0.2–0.3 до 20 см, выдержаны по горизонтали. Слоистость подчёркивается прослоями серого суглинка с включениями щебня диаметром 0.2–3.0 см. Иногда слоистость нарушена включением окатанных валунов диаметром 30 см. Граница с вышележащими отложениями чёткая, основание пласта перекрыто осыпью.

 

Рис. 3. Залежь пластового льда «ПТН», исследованная в 2018–2021 г.: а – фотография термоцирка, вмещающего залежь, 2020 г. (Маслаков и др., 2021); б – общий вид залежи в 2018 г., фотография Н.Г. Беловой; в – слоистая текстура льда и включения обломочного материала, фото Н.Г. Беловой, 2018 г.; г – обнажение южной (орографически правой) стенки южного термоцирка в 2021 г., включающее интрузию мутного льда. Фото А.А. Маслакова

Fig. 3. Massive ice body “PTN”, studied in 2018–2021: а – photo of the thermal cirque containing the deposit, 2020 (Maslakov et al., 2021); б – general view of the deposit in 2018, photograph by N.G. Belova; в – layered texture of ice and inclusions of debris, photo by N.G. Belova, 2018; г – exposure of the southern (orographically right) wall of the southern thermal cirque in 2021, including the intrusion of turbid ice. Photo by A.A. Maslakov

 

В 2020–2021 гг. в южной части термоцирка обнаруживался клин матового, пузырчатого, неслоистого льда, вероятно, инъекционного происхождения. Предполагается, что рассматриваемая залежь является частью более крупного ледяного тела. Содержание метана по 13 пробам варьирует в достаточно широком диапазоне от 9 ppmv до 1582 ppmv, составляя в среднем 432 ppmv. Распределение метана по профилю не установлено.

Залежь «Аккани». Пластовая ледяная залежь, изученная в 2016 (рис. 4, а) и в 2022 (рис. 4, б) годах, располагается в 2 км к юго-востоку от устья р. Чульхевеем (Аккани) на побережье Берингова моря (Мечигменский залив), в 25 м от береговой линии.

 

Рис. 4. а – ледяной пласт в устье р. Аккани вблизи пос. Лаврентия (Восточная Чукотка). Фото А.А. Маслакова, 2016 г. б – залежь «Аккани» в августе 2022 года. Буквами (А, Б, В, Г) показаны фрагменты ледяного тела, на которых проводилось более детальное описание залежи и отбор проб: 1 – точки отбора проб для определения изотопного состава льда; 2 – точки отбора проб для определения состава газов в воздушных включениях во льду. Фото Л.П. Кузякина

Fig. 4. а – Ice layer at the mouth of the Akkani River near the Lavrentia village (Eastern Chukotka). Photo by A.A. Maslakova, 2016. б – Akkani deposit in August 2022. Letters (А, Б, В, Г) show fragments of the ice body on which a more detailed description of the deposit and sampling was carried out: 1 – sampling to determine the isotopic composition of ice; 2 – sampling to determine the composition of gases in air inclusions in ice. Photo by L.P. Kuzyakin

 

Мощный и сравнительно протяжённый пласт льда шириной 45 м и толщиной до 2.7 м вскрывался в термоцирке шириной 50 м с высотой стенок до 4.5 м. Лёд во всём массиве чистый, пузырчатый. На контакте ледяного пласта с перекрывающими отложениями мощностью 1.7–3.0 м рыжеватый суглинок с включениями гальки переходит в сизый. Граница между льдом и перекрывающими его отложениями ровная, чёткая, несогласная. На контакте с перекрывающей породой вверху лёд чистый, прозрачный. Криогенная текстура вблизи контакта косая линзовидная, толщина шлиров – до 3 мм, длина – до 5 см. Концентрация метана в газовых включениях (8 проб) устойчиво низкая – от 2 до 3 ppmv. Распределение метана по залежи, ввиду близости значений концентрации, принято равномерным.

Залежь «Лаврентия». Вскрывается в крупном растущем термоцирке (рис. 5), прорезающем валунные суглинки, в 3 км к северу от села Лаврентия. Залежь исследована в 2019–2023 гг. Ширина термоцирка в 2023 г. составила около 70 м, глубина 50 м. Перекрывающие отложения представляют собой суглинок тёмно-бежевый с включением обломков диаметром до 1 м разной степени окатанности и гнёздами чёрного торфа. Вблизи кровли пласта (нижние 30 см) цвет суглинка меняется на серый и сизый. Мощность перекрывающих отложений составляет в среднем 1–2 м. Граница между кровлей пласта и отложениями несогласная. Сама залежь представляет собой переслаивание прозрачного чистого льда с редким включением пузырьков (рис. 5, б) и серого суглинка, включающего валуны и дресву. Пузырьки имеют размер 2–3 мм, без ориентировки в пространстве. Мощность прослоев льда от 2–3 до 20–30 см, прослоев грунта – от 0.5 до 10 см. Слои дислоцированы под углом 5–8 градусов по отношению к линии горизонта и иногда задраны вверх (рис. 5, в). Характерной особенностью льда, как и в залежи «ПТН», является вмороженный обломочный материал различной степени окатанности и диаметром от 1 до 30 см.

 

Рис. 5. Залежь «Лаврентия»: а – общий вид термоцирка и выходы пластового льда (выделен красным) в 2023 г.; б – крупный план льда из залежи; в – характерная слоистость льда на стенке вытаивания. Фото А.А. Маслакова

Fig. 5. Lavrentiya deposit: а – general view of the thermal cirque and outcrops of massive ice (highlighted in red) in 2023; б – close-up of ice from the deposit; в – characteristic layering of ice on the melting wall. Photo by A.A. Maslakov

 

Пластовый лёд, вскрывающийся в залежи «Лаврентия», имеют несколько отличную морфологию в различных частях обнажения. В южной части лёд залегает на глубине около 2 м и имеет мощность 1.5–2.0 м. Пласт имеет чёткую слоистость: чередование прослоев чистого льда и суглинка и хорошо выдержан по длине. Лёд прозрачный, почти без включений пузырьков воздуха. Во льду имеются включения обломочного материала, окатанные. Подстилается лёд серым валунным суглинком. По мере продвижения к центру термоцирка высота пласта льда увеличивается (пласт имеет слабый уклон в сторону моря): видимая мощность льда достигает 5.4 м, подошва скрыта под склоновыми отложениями. Лёд прозрачный с включениями редких круглых, неориентированных пузырьков воздуха. В самом льду, помимо обломочного материала, также присутствуют включения (линзы и конкреции) серой глины, размер включений от нескольких мм до первых см. Прослои относительно чистого льда разделены хаотичными линзами жёлто-коричневой супеси с включениями обломочного материала (1–3 мм).

Концентрация метана в газовых включениях внутри льда колеблется от 2 до 70 ppmv. Среднее значение составляет 18 ppmv (10 проб). Вертикальное распределение метана в пластовом льду представлено на рис. 6. Концентрация метана в залежи уменьшается сверху вниз. Максимальные концентрации (более 50 ppmv) зафиксированы в верхних двух метрах залежи. Ниже концентрация метана резко падает до 2–10 ppmv и остаётся стабильной до подошвы залежи (видимая часть).

 

Рис. 6. Вертикальное распределение концентрации метана в газовых включениях в пластовой залежи «Лаврентия». Отбор образцов проводился в центральной части залежи. Жёлтые круги – точки отбора образцов. Описание разреза: 1 – средний суглинок тёмно-бежевый с включениями обломков диаметром до 1 м; 2 – лёд прозрачный с вулючениями круглых пузырьков воздуха, во льду – обломочный материал, включения серой глины, линзы супеси; 3 – суглинистая оплывина

Fig. 6. Vertical distribution of methane concentration in gas inclusions in the Lavrentiya massive ice. Sampling was carried out in the central part of the deposit. Yellow circles are sampling points. Description of the section: 1 – medium dark beige loam with inclusions of fragments up to 1 m in diameter; 2 – transparent ice with inclusions of round air bubbles, in the ice there is fragmentary material, inclusions of gray clay, lenses of sandy loam; 3 – loamy mudslide

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание метана в подземных льдах криолитозоны. Использование методов определения состава газов в мерзлоте в целом и в газовых включениях пластовых льдов в частности началось относительно недавно. В последнее десятилетие особое внимание уделялось такому газу как метан (CH₄), из-за его существенного вклада в «парниковый эффект».

Метан (и другие газы) консервируются в мерзлоте и в иных природных льдах в форме газовых включений, вследствие закупоривания пор в процессе промерзания. Из-за низкой биохимической активности внутри мерзлоты, а также затруднённой миграции газов сквозь неё, концентрация метана в порах со временем сохраняется. Это даёт возможность определить условия промерзания отложений на основе концентраций метана. Например, если до промерзания отложения находились в бескислородных условиях (дно моря), где происходит активный метаногенез, то в процессе формирования мерзлоты (эпигенетическое промерзание) содержащийся в породах метан консервируется в порах и сохраняется там, пока не произойдёт оттаивание отложений (Стрелецкая и др., 2018). Если же в отложениях наблюдаются низкие концентрации метана, то можно предполагать, что до промерзания они находились в окислительной среде (либо в иной среде, где метаногенез отсутствует). В частности, при формировании льда ледников (рекристаллизационный тип льдообразования) в его порах консервируется атмосферный воздух. Следовательно, концентрация метана в данных включениях будет соответствовать его концентрации в атмосферном воздухе (1.8 ppmv). Стоит отметить, что по данным из антарктических кернов концентрация метана в атмосфере варьировала от 0.3 до 0.7 ppmv за последние 400 тыс. лет и только в конце голоцена возросла до 1.8 ppmv (Raynaud, 2012).

Наибольшие значения концентрации метана в газовых включениях пластовых льдов характерны для Ямала (Васильев и др., 2015; Стрелецкая и др., 2018). В других районах они существенно меньше, например для Амдермы и Новосибирских островов значение концентрации метана в пластовых льдах не превышает первые десятки ppmv (Semenov et al., 2024), а в районе Сопочной Карги – первые сотни ppmv (Стрелецкая и др., 2018). Хотя даже на достаточно локальных участках исследования (например, Марре-Сале) для разных типов пластовых льдов, и даже для разных залежей одного типа льда, характерен существенный разброс значений, составляющий до 50%.

Относительно высокие концентрации метана в пластовых льдах авторы объясняют их внутригрунтовым происхождением: происходило промерзание морских отложений в районе Марре-Сале непосредственно после регрессии моря, когда они ещё не успели пройти стадию диагенеза в наземно-воздушных окислительных условиях. Высоким водонасыщением промерзающих отложений также объясняется и формирование крупных залежей пластовых льдов. Значения концентраций метана в газовых включениях пластовых льдов различных регионов представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Сопоставление значений концентрации метана в газовых включениях пластовых льдов различных районов Арктики. CH4, ppmv – концентрация метана, выраженная в миллионных долях по объёму. Прочерки в последнем столбце означают отсутствие данных в литературном источнике о максимальном и минимальном значениях концентрации метана.

Район (источник)	Характеристика залежи пластового льда	Содержание CH4, ppmv мин/ср/макс
Югорский полуостров, Амдерма (Semenov et al., 2024)	Чистый лёд, без примесей с глубины 6–7 м от поверхности.	– / 4.55 / –
Васькины дачи, Центральный Ямал (Semenov et al., 2024)	Загрязнённый лёд, вскрывающийся в термоцирке, на глубине 3 м от поверхности. Перекрыт континентальными позднеплейстоцен-голоценовыми отложениями с повторно-жильными льдами.	– / 5075 / –
Марре-Сале, Западный Ямал (Васильев и др., 2015)	Пластовый лёд I типа на контакте морских и континентальных отложений, сильно загрязнён, осложнён дислокациями.	7877 / 10084 / 12292
Марре-Сале, Западный Ямал (Стрелецкая и др., 2018)	Пластовый лёд I типа на контакте морских и континентальных отложений, сильно загрязнён, осложнён дислокациями.	26 / 5854 / 17113
Марре-Сале, Западный Ямал (Стрелецкая и др., 2018)	Пластовый лёд II типа в морских глинах и суглинках, чистый, с включениями частиц чёрного цвета.	2 / 2459 / 23352
Сопочная Карга (Стрелецкая и др., 2018)	Лёд на контакте морских и континентальных отложений. Прослои чистого льда и ледогрунта.	7 / 474 / 1588
Новосибирские острова, п-ов Фаддеевский (Semenov et al., 2024)	Чистый лёд, с небольшими грунтовыми включениями. Залегает на высоте 9 м от уровня моря.	– / 1.79 / –

 

Значения концентрации метана в газовых включениях пластовых льдов Восточной Чукотки варьируют от 2 до 1582 ppmv и наиболее близки к значениям, зафиксированным в Амдерме и на Новосибирских островах. Однако, отдельные залежи («ПТН» – 432 ppmv) могут быть сопоставлены со льдами, обнаруженными в районе Сопочной Карги. В пластовых льдах Ямала концентрация метана в десятки и сотни раз выше, чем в пластовых льдах Восточной Чукотки, что может свидетельствовать о различном генезисе и механизме формирования этих залежей.

Генезис пластовых льдов Восточной Чукотки на основании концентрации метана в газовых включениях. На ранних этапах исследований залежеобразующих льдов Восточной Чукотки Ш.Ш. Гасанов (1969) и Б.И. Втюрин (1975) относили пластовые льды к внутригрунтовым телам, формирующимся под действием повторно-инъекционного механизма. Причём предполагалось, что происходило это при эпигенетическом промерзании отложений.

Отмечается (Гасанов, 1969; Свиточ, 1980), что современная мерзлота на приморских равнинах Чукотки формировалпсь в позднем плейстоцене. Следовательно, можно предполагать, что до этого отложения могли пройти стадию диагенеза в континентальных условиях, что могло найти отражение и в составе газов в газовых включениях пластовых льдов.

В газовых включениях пластовых льдов Восточной Чукотки значения концентрации метана варьируют от 2 до 1582 ppmv. Максимальные концентрации метана (432 ppmv) характерны для залежи «ПТН», минимальные – для залежи «Аккани» (2 ppmv). В двух залежах («23-й км запад» и «Аккани») концентрации во всех 15 пробах близки к концентрации метана в атмосферном воздухе (1.8 ppmv) и составляют от 3 до 4 ppmv для залежи «23-й км запад» и от 2 до 3 ppmv для залежи «Аккани». Данный факт позволяет предполагать, что в газовых включениях этих пластовых залежей заключён преимущественно атмосферный воздух. Вполне вероятно, залежи «23-й км запад» и «Аккани» являются ледяными телами, сформированными в атмосферных условиях, которые впоследствии были погребены. Об общности происхождения этих залежей также можно судить и по особенностям их геоморфологического положения: обе залежи вскрываются в береговом уступе IV ледниково-морской террасы. Анализ значений δ¹⁸O в данных залежах приводится несколькими авторами. Для залежи «Аккани» значения δ¹⁸O варьируют от –17.9 до –16.2‰, что позволяет Васильчуку с соавторами (2021) утверждать о вероятном погребённом генезисе данной залежи (табл. 2). Подобный вывод согласуется с данными о концентрации метана в залежи «Аккани». Результаты датировки органического материала из льда (Vasil’chuk et al., 2024) показывают возраст от 22611 до 22147 cal BP.

 

Таблица 2. Концентрация метана в газовой фазе пластовых льдов в районе села Лаврентия, а также изотопная характеристика этих льдов и их предполагаемый генезис. CH4, ppmv – концентрация метана, выраженная в миллионных долях по объёму

Залежь	Содержание CH4, ppmv мин/среднее/макс (количество проб)	Значение δ18O, ‰ мин/ср/макс (источник)	Ранее определённый генезис	Генезис на основании содержания метана
23-й км – Запад	3/3/4(7)	–20.1/–18.5/–13.8 (Белова и др., 2019)	Сегрегационно-инъекционный (внутригрунтовый) (Маслаков и др., 2018) Внутригрунтовый (Vasil'chuk et al., 2021)	Погребённый ледник или снежник
ПТН	9/432/1582(13)	–24.5/–17.5/–17 (Vasil'chuk et al., 2021) –15.3/–18.2/–19.5 (Белова и др., 2019)	Внутригрунтовый (Vasil'chuk et al., 2021) Гетерогенный внутригрунтовый сегрегационный (Маслаков и др., 2018) Внутригрунтовый (Белова и др., 2019)	Внутригрунтовый сегрегационный лёд, сформированный при эпигенетическом промерзании.
Аккани	2/2/3(8)	–17.9/–17.1/–16.2 (Vasil'chuk et al., 2021)	Погребённый голоценовый снежник (Vasil'chuk et al., 2021; Маслаков и др, 2018)	Погребённый ледник или снежник
Лаврентия	2/18/70(10)	–21.8/–18.8/–16.6 (Vasil'chuk et al., 2021)	Внутригрунтовый (Vasil'chuk et al., 2021)	А) Внутригрунтовый лёд, сформированный при эпигенетическом промерзании отложений. Б) Погребённый ледник или снежник.

 

Иная ситуация наблюдается для залежи «23-й км запад», в которой зафиксировано колебание значений δ¹⁸O от –20.1 до –13.8‰. На основе криостратиграфии и большого размаха значений δ¹⁸O Маслаков с соавторами (2018) делает вывод о сегрегационно-инъекционном внутригрунтовом генезисе залежи. Васильчук с соавторами (2021) также на основе изотопных данных предполагает внутригрунтовый генезис залежи, но не уточняет механизм её формирования. Предположения о внутригрнутовом генезисе не согласуются с показателями концентрации метана в газовых включениях в залежи «23-й км запад», которые соответствуют значениям, характерным для атмосферного воздуха.

Залежи «ПТН» и «Лаврентия» вскрываются в береговом уступе позднеплейстоценовой равнины. Средняя концентрация метана в газовых включениях в залежи «ПТН» составляет около 432 ppmv, что является наибольшим значением для изученных пластовых льдов Восточной Чукотки. Широкий разброс величин (от 9 до 1582 ppmv) может свидетельствовать о гетерогенном происхождении залежи. Морфология залежи (слоистость, наличие складок, разрывные нарушения, несогласия и интрузии льда) также свидетельствует в пользу этой версии. Высокие концентрации метана указывают на процессы метаногенеза при примерзании отложений и формировании залежи. Возможно, в её формировании принимали участие поверхностные (болотные, озёрные) и внутригрунтовые воды. В пользу сегрегационного (или инфильтрационного) механизма формирования залежи говорит наличие ритмичной слоистости в текстуре льда, выраженной в чередовании прослоев стекловидного льда и прослоев с включениями дисперсного материала (толщина прослоев около 2 см). Для данной залежи значения δ¹⁸O получены независимо двумя авторами и варьируют от –24.5 до –17‰ (Vasil'chuk et al., 2021) или от –19.5 до –15.3‰ (Белова и др., 2019). В обеих работах на основании криостратиграфических и изотопных данных генезис залежи «ПТН» определяется как внутригрунтовый. В работе Маслакова с соавторами (2018) уточняется механизм формирования – сегрегационный. Выводы о внутригрунтовом генезисе залежи, сделанные на основании изотопных исследований льда, согласуются с высокими концентрациями метана в газовых включениях. Результаты датировки органического материала из льда (Vasil’chuk et al., 2024) показывают возраст 22 192 cal BP.

Залежь «Лаврентия» также характеризуется значениями концентрации метана, отличными от атмосферного воздуха. Однако среднее значение составляет 18 ppmv, что не может достоверно свидетельствовать о внутригрунтовом происхождении залежи. Столь низкие значения содержания метана в залежи «Лаврентия» можно объяснить двумя причинами. Первая предполагает погребённое (аллохтонное) происхождение залежи. Следовательно, газовые включения во льду являются атмосферным воздухом, который подвергся незначительным изменениям в процессе существования залежи. В частности, в мёрзлом состоянии могли проходить процессы метаногенеза внутри льда, что привело к различиям в концентрациях.

Для разрешения вопроса о протекании процессов метаногенеза внутри льда необходим изотопный анализ углерода в метане. Однако проведение подобного анализа требует достаточно большого количества углерода (из метана), сбор которого из данной залежи затруднён из-за его низкой концентрации. Согласно второму предположению, метан мог содержаться во внутригрунтовых водах (когда отложения находились в талом состоянии), а в процессе промерзания грунтового массива сконцентрировался в газовых включениях. Подобные залежи могут возникнуть при эпигенетическом промерзании талых отложений, из которых весь метан (если он в них содержался) улетучился, так как он не консервируется в талых отложениях и в континентальных условиях либо окисляется, либо эмитирует в атмосферу. Вторая гипотеза не отрицает возможность формирования автохтонных залежей пластового льда с низким содержанием метана. В пользу этого механизма формирования залежи «Лаврентия» могут свидетельствовать данные о концентрации метана в перекрывающих отложениях (40 ppmv) и в грунтовых включениях (от 8 до 20 ppmv). Таким образом, сопоставимые концентрации метана в отложениях и в ледяной залежи могут говорить о синхронности их промерзания/формирования.

Оба высказанных варианта не противоречат и другим наблюдениям. На аллохтонное происхождение залежи может указывать её залегание в отложениях позднеплейстоценовой равнины и включения грубообломочного материала во льду. Однако на эпигенетическое промерзание отложений Чукотки указывали многие исследователи (в том числе Ш.Ш. Гасанов), которые предполагали формирование пластовых льдов при повторном промерзании ранее- и среднеплейстоценовых отложений в позднем плейстоцене в Искатеньский криохрон (MIS-2) (Свиточ, 1980). Значения δ¹⁸O, характерные для залежи «Лаврентия», варьируют от –21.8 до –16.6‰ (Vasil'chuk et al., 2021), из-за чего генезис залежи предполагается как внутригрунтовый. Предположение Васильчука с соавторами (2021) о внутригрунтовом генезисе залежи не противоречит выводам, сделанным на основе анализа концентрации метана в воздушных включениях.

Таким образом, сведения о концентрации метана в газовых включениях пластовых льдов побережья Восточной Чукотки могут и подтверждать, и опровергать ранее выдвинутые гипотезы их происхождения. Содержание метана, а также изотопная характеристика этих льдов и их предполагаемый генезис отображены в табл. 2.

Ограничения и возможности метода. Несмотря на относительную простоту отбора газа из мёрзлых образцов почвы и льда, определение концентраций метана в газовых включениях в пластовых льдах методом «headspace» имеет ряд недостатков. При сравнении метода «headspace» с методом термовакуумной дегазации (Бутаков и др., 2021) было установлено, что значения концентрации метана в пробах, полученных при помощи метода «headspace», оказывались завышены в 3–70 раз. Авторы связывают это с более высокой растворимостью других газов (углекислый газ, кислород) в воде при экстракции газовой фазы изо льда. Метан при этом сравнительно обогащает газовую фазу, что и создаёт завышенные значения. На основании этого можно говорить о том, что измерение концентрации газов с методом «headspace» может дать результаты, отличные от таковых с использованием других методов. Также из-за завышенных значений следует с осторожностью сравнивать данные о концентрациях метана в мёрзлых отложениях, полученных различными методами, в частности методами «headspace» и термовакуумной дегазации. С осторожностью об использовании метода дегазации льда в растворе NaCl («headspace») высказываются и Ji-Woong Yang с соавторами (2020). Они предполагают, что часть метана при экстракции адсорбируется грунтовыми частицами и не учитывается при измерении. Впрочем, подобная проблема существует и для других методов дегазации льда: термовакуумной дегазации и сухой экстракции.

О завышенных значениях концентрации метана из образцов, отобранных методом «headspace», свидетельствуют и результаты, полученные М. Чербуниной с соавторами (2018). По их выводам, метод «headspace» подразумевает более точечный отбор образцов, по сравнению с методами «больших образцов» (Чербунина и др., 2018), что вызывает больший разброс значений концентрации СН₄ из-за крайне неравномерного распределения газов в мёрзлых отложениях, вследствие чего получаются завышенные значения (до 20 раз). Впрочем, при любом методе с увеличением размеров образца происходит уменьшение разброса данных. При этом авторы отмечают, что при низких концентрациях метана во льду оба метода дают схожие результаты. То-есть завышенные концентрации метана, извлечённого методом «headspace», можно ожидать только из тех залежей льда, где его концентрация достаточно высока (более 100 мкг/кг).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В период с 2016 по 2022 г. в районе села Лаврентия исследованы четыре залежи пластовых льдов, залегающие в рыхлых отложениях приморских равнин Восточной Чукотки. Особое внимание уделялось анализу содержания метана в газовых включениях пластовых льдов. Отбор проб для определения состава газовых включений внутри льда проводился методом «headspace». Несмотря на имеющиеся недостатки метода, он является удобным способом определения концентрации метана в подземных льдах и мёрзлых породах в полевых условиях при невозможности транспортировки мёрзлых образцов.

В результате проведённых исследований получены следующие выводы.

1. С учётом значений концентраций метана в пластовых льдах подтверждён как внутригрунтовый (залежь ПТН, 432 ppmv), так и погребённый (залежь Аккани, 2 ppmv) генезис определённых залежей.
2. Значения концентрации метана в газовых включениях залежи «Лаврентия» (18 ppmv) не позволяют однозначно интерпретировать её генезис. В пользу погребённого генезиса говорят характер вмещающих отложений, наличие грубообломочных включений и невысокая концентрация метана, вероятно, связанная с грунтовыми водами, либо обусловленная эпикриогенным метаногенезом. В то же время, сопоставимая концентрация метана (20–40 ppmv) во вмещающих отложениях и в газовых включениях залежи может говорить об одновременном промерзании пород и формировании залежи.
3. Содержание метана в газовых включениях в залежи «23-км запад» (3 ppmv) ставит под сомнение ранее выдвинутую гипотезу о внутригрунтовом генезисе льда: во всех семи образцах зафиксирована концентрация метана, близкая к атмосферной. Ранее в пользу внутригрунтового генезиса залежи говорил изотопный состав льда (значение δ¹⁸O = –18.5 ‰).

Генезис пластовых льдов Арктики до сих пор остаётся одной из наиболее дискуссионных проблем современной геокриологии. В данной работе были продемонстрированы возможности учёта концентрации метана для определения происхождения пластовых льдов.

Учитывая имеющиеся ограничения метода «headspace», перспективным направлением данного исследования может служить одновременный отбор проб пластовых залежей и вмещающих мёрзлых пород для определения содержания метана в газовых включениях различными методами (термовакуумная дегазация, холодное дробление в вакууме и др.).

Благодарности. Работа выполнена в рамках Программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды». Лабораторные анализы в работе выполнены при поддержке гранта РНФ № 23-27-00123. Работа Н.Г. Беловой выполнена в рамках темы Государственного задания № 121051100167-1.

Acknowledgments. This work was supported by the Development program of the Interdisciplinary Scientific and Educational School of M.V. Lomonosov Moscow State University “Future Planet and Global Environmental Change”. Laboratory analyses in this work were conducted with the support of RSF Grant No. 23-27-00123. N.G. Belova’s work was done within the framework of State Assignment Topic No. 121051100167-1.

Об авторах

Л. П. Кузякин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kuziakin@geogr.msu.ru
Россия, Москва

А. А. Маслаков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: kuziakin@geogr.msu.ru
Россия, Москва

П. Б. Семёнов

Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика И.С. Грамберга

Email: kuziakin@geogr.msu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Н. Г. Белова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: kuziakin@geogr.msu.ru
Россия, Москва

Ю. К. Васильчук

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: kuziakin@geogr.msu.ru
Россия, Москва

А. О. Киль

Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика И.С. Грамберга

Email: kuziakin@geogr.msu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы