| 16. |
Аннотация |
Данный проект направлен на выявление характерных особенностей осадконакопления, а именно: 1) количественную оценке потока терригенного органического вещества (ОВ) в системе суша-шельф в настоящем и прошлом, 2) оценку вклада ОВ наземного и морского генезиса, 3) оценку углеводородного (УВ) потенциала ОВ. Особое внимание будет уделено выявлению особенностей вклада ОВ речного и эрозионного происхождения вследствие вовлечения гигантского пула ОВ деградирующей мерзлоты (наземной и подводной) в процессы осадконакопления и биогеохимический режим морей Российской Арктики (МРА) в настоящем и прошлом. В контексте уточнения климатической роли УВ потенциала осадков МРА и выявления относительного вклада современного метаноообразования - окисления из ОВ деградирующей подводной мерзлоты относительно вклада глубинных источников (гидраты, термогенный и абиогенный метан) важное место в проекте займет выявление положения кровли подводной мерзлоты в районах исследований по авторской методике, изложенной в Nature Communications (Shakhova, Semiletov et al., 2017). Исследования будут проводиться во всех морях Российской Арктики с фокусом в МВА, и восточной части Карского моря (включая прибрежную зону полуострова Ямал, и Обскую губу), в которых находится более 80% подводной мерзлоты шельфа всего СЛО (ACIA, 2004). Район исследований характеризуется обширной площадью (>3.0 млн. км2 - около 50% площади всего шельфа СЛО), мощной осадочной толщей, содержащей «супер-пул» УВ, а также разнообразием морфологических и геологических условий. Для понимания механизма разгрузки метана из осадков будет выполнена оценка уровня сейсмической опасности, связанной с геологическими, литодинамическими и геокриологическими процессами путем регистрации слабых сейсмических событий, источниками которых могут быть микроземлетрясения, взрывы, оползни, провалы (проседания/подвижки дна), выбросы газа.
Особое внимание будет уделено изучению: 1) транспорта и трансформации наземного ОВ, поступающего в район исследований в результате эрозии берегового ледового комплекса и с речным стоком, что необходимо для понимания оценки фракции наземного ОВ, которая минерализуется в аэробных условиях в водной толще и поверхностных осадках, 2) качества ОВ и этапов его трансформации в ходе диагенеза, катагенеза и метаморфизма. Конечным продуктом этого исследования станет количественная оценка УВ потенциала донных отложений, в первую очередь - метанового (СН4) потенциала, а именно количества СН4, которое 1) может образоваться в результате вовлечения древнего ОВ деградирующей мерзлоты в современный биогеохимический цикл, и 2) уже накоплено в донных осадках арктических морей в масштабе геологических времен (со времени образования мерзлоты), поскольку считается, что наличие газонепроницаемой мерзлоты предотвращает потери газовых компонентов накопленного пула УВ. Это значит, что утрата сплошности подводной мерзлоты (ПМ) приведет к формированию газо-проводящих путей, мощность которых будет расти, соответственно будет расти и эмиссия газа из донных источников, суммарная мощность которой не может превышать размеров накопленного УВ донных осадков. Отправной гипотезой этого направления исследования будет предположение о том, что максимально возможная продукция СН4 из 1 г ОВ не может превышать 0.45 г метана (Kaplan et al., 1978). Для понимания миграционной способности биогенного СН4 в системе осадки-водная толща будет проведен комплекс микробиологических исследований под руководством Н. Пименова. Впервые будет протестирована гипотеза о роли микробиального метаногенеза в качестве источника метана в арктических морях. Ранее было показано, что в качестве субстрата для микробного метаногенеза в процессе диагенеза может использоваться только водо-растворимая фракция ОВ (ВРОВ), которая составляет 0.1-1% от общего исходного терригенного ОВ (Wagner et al., 2005). Поскольку ОВ наземного происхождения до поступления на шельф проходит стадию диагенетических трансформаций, логично предположить, что значительная доля ВРОВ будет израсходована, что делает ОВ поверхностных осадков трудно-усвояемым для метаногенов. Оставшаяся часть ОВ, точнее его щелочно-растворимая фракция, преобразовывается в метан и другие УВ компоненты в процессе катагенеза и метаморфизма (Kaplan et al., 1978). В рамках проекта планируется изучить молекулярный состав каждой из фракций и выявить метаболические взаимосвязи между молекулярным составом экстрактов ОВ в растворенной форме и гуминовых веществ донных отложений по характеру их расположения на векторах конденсации, окисления, и диметилирования (Kim et al., 2003).
Для оценки генерационного качества ОВ и уровня его термической зрелости будет использован пиролитический метод, дополненный детальными геохимическими исследованиями, принятыми в исследованиях УВ потенциала нефтегазовых месторождений.
Полученное в ходе настоящего исследования новое знание о закономерностях трансформации ОВ в характерных районах обширного шельфа МВА и прилежащей части Карского моря позволит развить модель деградации ПМ в контексте прогнозирования вовлечения ОВ и УВ пула осадочной толщи в современный биогеохимический цикл.
Данная модель модифицируется авторским коллективом (совместно с группой, основанной проф. Н.Н. Романовским в 1990х) начиная с конца 1990х - 2000х годов.
Существующий алгоритм расчетов будет модифицирован за счет включения эффектов солевой диффузии (соли поровой воды и солевые рассолы), теплового эффекта стока речных и грунтовых вод (Chuvilin et al., 2019ab; Shakhova et al., 2014, 2019; Frederick and Buffett, 2015, 2016; Charkin et al., 2017), а также за счет включения новых данных о характерных особенностях осадконакопления и о геологической структуре шельфа арктических морей в контексте формирования газовыводящих путей в осадочной толще.
Впервые на основе данных наблюдений и моделирования будет выполнена оценка теплового эффекта грунтовых вод на ПМ, а также их роли в контексте переноса на шельф СН4 и двуокиси углерода, синтезированных на суше. Для достижения заявленной цели впервые будут решены следующие задачи:
1) Разделить вклад различных источников в современные потоки СН4 (биогенный, термогенный, абиогенный) на основе анализа изотопной формулы СН4 (13С, dD и 14C), отобранного в районе исследований и последующего моделирования методом Монте-Карло возможных вкладов на основе экспериментально полученных первичных формул (end-member signature);
2) Получить количественные параметры качества ОВ, накопленного на шельфе МВА и прилежащей части Карского моря, для оценки эффективности метаногенеза на разных этапах трансформации ОВ (диагенез, катагенез, метаморфизм).
3) Получить количественные оценки современной биогенной продукции метана в характерных типах донных осадков МВА и прилежащей части Карского моря и изотопную формулу современного метана (современный биогенный метан);
4) Оценить вклад геологического метана (термогенный, метаморфогенный, магматогенный) и путей его миграции в МВА и прилежащей части Карского моря;
5) Оценить роль грунтовых вод как дополнительного фактора, оказывающего отепляющее влияние на ПМ, и транспортного средства для СН4 и других УВ;
6) Оптимизировать и реализовать алгоритм модели современного состояние подводной мерзлоты с учетом новых данных полученных в проекте (экспериментальные, геофизические и геологические);
7) Моделировать и прогнозировать климатическую роль МВА в результате деградации подводной мерзлоты в настоящем и будущем;
8) Выявить и оценить экологические, геоинженерные и экономические последствия мобилизации ОВ и УВ запасов в МВА и другие моря Российской Арктики.
Методологический подход данного исследования будет основан на многоуровневом и многокомпонентном анализе комплекса органо-геохимических, биогеохимических, изотопных, микробиологических, геологических и геофизических данных, которые будут интерпретированы и использованы для тестирования и оптимизации целого ряда моделей, взаимоувязанных в единый модельный комплекс. Реализация данного методического подхода впервые призвана оценить современную и будущую роль арктических морей в региональном и глобальном цикле углерода в контексте выявления потенциала роста эмиссии парниковых газов из арктических морей, что крайне важно для понимания и оценки природной положительной обратной связи между потеплением климата, деградацией подводной и прибрежной мерзлоты, включением в современный цикл древнего углерода мерзлоты, что приводит к усилению эмиссии парниковых газов в атмосферу.
Гарантией успешного выполнения проекта является признанная мировая роль авторского коллектива в заявленном направлении, что подтверждается публикациями в Science (1997, 2010), Nature (2012), Nature Geosciences (2014, 2016), Nature Communications (2016, 2017, 2018), Science Advances (2019, 2020), Scientific Reports (2019), и более 200 публикаций в Web of Science за время авторских исследований в Российской Арктике (начиная с 1990х). |