В Центре коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» провели необычное исследование — впервые на ускорительном масс-спектрометре производился радиоуглеродный анализ метана, выделенного из проб болотного газа, которые были взяты научными сотрудниками Югорского государственного университета из сипов болот Ханты-Мансийского автономного округа. Им было важно выяснить возраст и происхождение метана.
Три гипотезы происхождения
Перед исследователями из ЮГУ стояла задача: определить происхождение метана в сипах – недавно найденных активных источниках болотного газа в поймах рек среднего Приобья, а также изучить биогеохимические процессы, связанные с продукцией и транспортом этого газа к сипам.
Впервые сипы были найдены в начале 2000-х годов рядом с международным полевым стационаром Мухрино в 25 км от Ханты-Мансийска. Они представляли собой заводи в ручье, из которых активно поднимались пузыри, насыщенные метаном. Довольно быстро выяснилось, что аналогичных источников много на территории всего ХМАО-Югры. Впоследствии ученые ЮГУ оценили площадь их распространения по космическим снимкам с помощью сверточных нейронных сетей. Сипы могут выглядеть по-разному: как воронки, лужи, кратеры, дефекты русла рек и ручьев. У этих объектов два общих свойства – все они находятся в поймах рек или ручьев и крайне интенсивно выделяют метан, второй по важности парниковый газ для климата Земли после углекислого газа. Последнее и вызвало изначальный интерес исследователей к этим объектам.
— Чтобы определить дальнейшую судьбу сипов как источника метана, было необходимо понять происхождение и пути миграции этого газа. На этот счет у нас существовало три гипотезы. Первая — «нефтяная» —предполагала, что метан в сипах производится при термическом разложении органических соединений (нефти или керогена) в богатых углеводородами юрских и меловых отложениях, расположенных на глубине более 1 км, и поднимается на поверхность по разрывам и трещинам в земной коре. Эта гипотеза была довольно естественной, ведь в ХМАО-Югре добывается около половины всей нефти России, и богатые углеводородами пласты распространены в регионе повсеместно. Вторая гипотеза – «мерзлотная» – предполагала, что метан высвобождается из деградирующей реликтовой мерзлоты в олигоценовых отложениях на глубине 150-200 м. В ее пользу говорил тот факт, что южная граница слоя реликтовых многолетнемерзлых пород находится как раз в той же части ХМАО-Югры, где и были найдены сипы. Высокие концентрации метана часто обнаруживают в многолетнемерзлых породах, что также делает эту гипотезу довольно логичной. Третья гипотеза – «болотная» – предполагала, что метан попадает в сипы из покрывающих около половины региона верховых болот, откуда он мигрирует с грунтовыми водами. Болота – основной природный источник метана на территории Западной Сибири. Метан из верхних слоев болот выходит в атмосферу через корни растений. В глубинных слоях болот они отсутствуют, но метан может попадать в грунтовые воды из подстилающих болото минеральных горизонтов, — объяснил научный сотрудник НОЦ «Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата» Югорского государственного университета Александр Сабреков.
Если верна первая, «нефтяная», гипотеза, то эмиссия метана из сипов станет спадать по мере добычи нефти и газа, поскольку будет снижаться давление в пластах, за счет которого они выходят на поверхность. При подтверждении второй, «мерзлотной», гипотезы можно ожидать взрывного роста эмиссии из сипов в связи с ускоряющейся деградацией реликтовой мерзлоты, связанной с глобальным потеплением климата, с последующим снижением ввиду отсутствия источника метана в олигоценовых отложениях. Установление истинности третьей, «болотной», гипотезы, говорит о том, что метан будет выделяться из сипов до тех пор, пока значительная часть территории региона покрыта болотами.
Нетривиальная задача
Определить, какая из трех гипотез верна, можно было в том числе, определив возраст метана, выделяющегося из этих сипов. Сделать это возможно при использовании метода ускорительной масс-спектрометрии.
— Данное исследование для нас было особым и выполняли мы его фактически в инициативном порядке — запрос наших коллег из ЮГУ был для нас очень интересным. Обычно мы исследуем твердые вещества — устанавливаем радиоуглеродный возраст археологических находок, произведений искусства, карбонатов и гуминовых кислот. Опыт работы с газами у нас уже имелся — еще 10 лет назад мы анализировали выдохи воздуха с целью диагностики желудка на наличие бактерии Helicobacter pylori, которая является возбудителем ряда заболеваний желудка и двенадцатиперстной кишки. Наш графитизатор приспособлен для работы с углекислым газом, и для нас это была привычная работа, а вот извлечение метана из некоей смеси, его дальнейшую графитизацию и датирование мы ранее не проводили. Было очень интересно заняться этой работой и увидеть ее результаты, — рассказала директор УКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» Екатерина Пархомчук.
Отбор проб газа в болотистой местности требовал от исследователей аккуратности и осторожности.
— Чтобы определить возраст метана с помощью УМС, проба газа должна быть довольно объемной — не менее 100 мл, а лучше больше. При этом сипы с точки зрения отбора газа – объекты крайне неприятные: водонасыщенный грунт засасывает подошедшего исследователя не хуже зыбучих песков, а любое неосторожное движение смещает этот грунт, перекрывая канал, по которому газ поднимается из глубины, после чего отобрать его уже невозможно. Пузыри газа выходят на поверхность неравномерно: иногда, чтобы набрать нужный объем, приходилось неподвижно стоять рядом с сипом больше часа, при этом температура подземных вод в регионе в любое время года близка к нулю. Большинство сипов-воронок имеют очень маленькую глубину, поэтому для отбора газа из них пришлось разработать модификацию метода перевернутых воронок. В воронку перед отбором набиралась вода, которую вытеснял выходящий пузырями газ. Этот газ перекачивался в присоединенный к воронке шприц, чтобы снова заполнить воронку водой. В тот же день газ из шприца перекачивался в пластиковую бутылку объемом 300 мл, предварительно заполненную насыщенным раствором поваренной соли, но так, чтобы немного воды в бутылке все-таки оставалось. В таком виде газ мог храниться годами, и именно так мы отправили его на анализ в Новосибирск, — пояснил Александр Сабреков.
Верная гипотеза
Ученые ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» успешно извлекли болотный газ, подали его на графитизатор и получили графитовые мишени. Работа над его анализом продолжалась на протяжении всего года. В ходе первой серии исследований по определению содержания радиоуглерода в метане на имеющийся изотопный сдвиг по другому изотопу углерода - С-13 - не обратили внимания, но позже, читая предварительный текст статьи с полученными результатами, увидели необычно большое значение изотопного сдвига и провели обработку результатов с его учетом, получив достоверные результаты. Согласно которым однозначно подтвердилась верной третья, «болотная» гипотеза происхождения и транспортировки метана в сипах.
— Все измеренные геохимические индикаторы либо подтверждали ее, либо не противоречили ей. В болотах и подземных водах мы нашли точно такой же по составу стабильных изотопов метан, что и в сипах, в том же диапазоне концентраций. Однако, чем меньше была концентрация метана в сипах, тем сильнее состав стабильных изотопов метана в них отклонялся от болотного. Вероятнее всего, это связано с тем, что метан синтезируется не только в болотах, но и во время транспорта к сипам в подземных водах из растворенной органики, которая в подземные воды также попадает из болот, — сказал Александр Сабреков.
Исследователь отметил, что применение метода УМС имело решающее значение при определении происхождения метана: по его результатам можно было однозначно сказать, что метан современный, то есть голоценовый, и не старше, чем самый глубокий (а значит, и самый «великовозрастный») торф в современных болотах, покрывающих регион. Этот факт сразу однозначно исключает и «нефтяную», и «мерзлотную» гипотезы.
Значимость исследования ученых из ЮГУ напрямую зависела от того, какая из гипотез подтвердится. Если первая, «нефтяная», то места нахождения сипов можно было бы использовать при разведке новых месторождений. Известно, что сипы – очень хороший маркер месторождений, где коммерчески выгодно добывать нефть. Кроме того, если эта гипотеза была бы верна, это означало бы, что подземные воды, активно используемые для питьевого водоснабжения на большей части Западной Сибири, могли быть загрязнены канцерогенными тяжелыми металлами и органическими соединениями, которых много в нефтеносных пластах. Правота второй, «мерзлотной», гипотезы, указала бы на то, что слой реликтовой мерзлоты, защищающий питьевые подземные воды от поступления загрязнений с поверхности, истончается, и потенциальная опасность такого загрязнения возрастает.
Подтверждение верности третьей, «болотной», гипотезы, свидетельствует о наличии в Западной Сибири мощного источника метана, который будет существовать, пока не исчезнут болота. У ученых появилось четкое представление о том, насколько тесно ландшафты связаны между собой, что очень важно для предсказания последствий их изменений при глобальном потеплении или антропогенном воздействии (например, загрязнении при нефтедобыче).
— Данный факт означает, что описанный механизм транспорта метана может иметь место и в других регионах с аналогичной структурной ландшафта, где их необходимо искать и изучать, — резюмировал ученый.
.png)
.png)
.jpg)
