Состав иммобилизационных (защемленных) газов и спорово-пыльцевые остатки в торфяниках Сеймчано-Буюндинской впадины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состав иммобилизационных (защемленных) газов и спорово-пыльцевые остатки в торфяниках Сеймчано-Буюндинской впадины

Васильчук Алла

Аннотация

Предметом исследования являются торфяники Сеймчано-Буюндинской впадины, в частности состав газов, содержащихся в многолетнемерзлых торфяниках и повторно-жильных льдах. Особое внимание уделено условиям формирования торфяников, особенностям климатических условий Сеймчано-Буюндинской впадины и Магаданской области в целом, характеристике основных типов растительности, почвенного покрова и ландшафтов. Рассмотрен тренд изменения среднегодовой температуры воздуха в районе пос. Сеймчан. Для оценки времени формирования повторно-жильных льдов реконструирован состав весеннего пыльцевого дождя во время накопления повторно-жильных льдов. Установлен состав защемленных газов в торфяниках. Проведено сравнение с составом защемленных газов в других объектах и регионах. Отбор проб газа из мерзлого торфа производился по методике, разработанной во ВНИИ Геоинформсистем РАН. Определения газового состава были проведены в НИИ шинной промышленности на хромато-масс-спектрометре Hitachi М-80. Проанализирован вопрос сохранности газов в образцах. Основными выводами полученными в результате проведенного исследования являются: - установлено высокое содержание метана как в мерзлом торфянике Чукачи, так и в озерной воде на поверхности торфяника; - установлено, что озеро на поверхности торфяника является одновременно и ловушкой для газов, выделяющихся из оттаивающего торфа, так и депонирующей средой, в которой интенсивно идут процессы редукции углеводородов; в составе газов, защемленных в мерзлом торфянике велико содержание водорода, что является одним из обязательных условий жизнедеятельности метанообразующих бактерий.

Ключевые слова: полигональный торфяник, защемленные газы, Верхняя Колыма, повторно-жильный лед, Сеймчано-Буюндинская впадина, пыльца, метан, водород, газовая хроматография, сероводород

The subject of this study is the peatlands of the Seymchan-Buyunda depression, in particular the composition of gases contained in the permafrost peatlands and ice-wedge ice. Special attention is paid to conditions of the peat formation, features of the Seymchan-Buyunda depression climate and the Magadan region in general, the characteristics of the main types of vegetation, soil cover and landscape. The trend of changes in the average annual air temperature in the area of Seymchan town is considered. To estimate the time of formation of ice-wedge ice, the composition of spring pollen rain during the accumulation of the ice wedges was reconstructed. The composition of trapped gases in peatlands is established. Determination of gas composition was carried out using the chromato-mass-spectrometer Hitachi M-80. There are high methane content in frozen peat bog Chokachi and lake water on the surface of the peat bog; it was discovered that the lake on the surface of the peatland is both, a trap for gases released from the thawing peat and a depositing medium, in which the processes of reduction of hydrocarbons take place intensively; in the composition of gases trapped in the frozen peatland there is a high content of hydrogen, which is one of the mandatory conditions for the life of methane-forming bacteria.

• Keywords: торфяник газ голоценовый чукачи

pollen, Seymchan-Buyunda depression, ice-wedge, Upper Kolyma, trapped gases, polygonal peat, methan, hydrogen, gas chromotography, hydrogen sulphide

Введение

В связи с повышенным вниманием к процессам глобального потепления регионам криолитозоны уделяется значительное внимание потому, что многолетнемерзлые породы содержат огромное количество углерода, который при протавании выделяется в виде парниковых газов двуокиси углерода (CO₂) и метана (CH₄). Основная задача данной статьи изучение состава защемленных газов в полигональных торфяниках Сеймчано-Буюндинской впадины, район Верхней Колымы (рис. 1). Для решения поставленной задачи проведены полевые исследования, определен состав газов, содержащихся в мерзлом торфе и повторно-жильных льдах, определен изотопный состав льдов и поверхностных вод в районе Верхней Колымы, исследованы палиноспектры из повторно-жильных льдов, отражающие состав региональной растительности в период накопления торфа.

Рис. 1. Район исследования

Сеймчано-Буюндинская впадина, протянулась на 125 км от гор Туоннах и Немичин на юго-востоке до р. Колыма между пос. Сеймчан и Усть-Среднекан и отсюда до предгорий Колымского хребта. Ширина её в южной части 25 км, в северной - 40 км. Дно впадины, расположенное на высоте 280-300 м над уровнем моря, большей частью покрыто сфагновыми и осоково-пушицевыми лиственничными редколесьями. Бассейн р. Колымы относится к зоне северной светлохвойной тайги и лиственных редколесий. Лиственничные леса и редколесья, образованы лиственницей Даурской, лиственницей Каяндера. Они занимают различные элементы рельефа: крутые горные склоны и склоны сопок, гривы материковых, надпойменных террас, древние речные террасы и пологие склоны. Сомкнутость древесного полога колеблется от 0.2 -0.4.

В пойме р. Колымы, в прирусловой части и на островах распространены пойменные тополево-чозениевые и лиственнично-чозениевые кустарниково-травяные леса с ягодниками кустарникового яруса и хорошо развитым травостоем. В подлеске встречаются рябина камчатская, черемуха азиатская, ива русская, ива пятитычинковая, ива копьевидная, ива колымская и др. В кустарниковом ярусе таких лесов обильны роза иглистая, жимолость съедобная, смородина печальная и черная (дикушка), спирея иволистная, курильский чай и ива байкальская. Разнообразен состав разнотравья, часто встречаются: вейник Лангсдорфа, кипрей узколистный, василистник скрученный, подмаренник северный и многие другие виды ^[1]. Редкостойные лиственничные леса и редколесье занимают- около 41% территории, сообщество хвощовых и разнотравных ивняков - 6%, березовые и березово-лиственничные леса склонов гор - 25%, лиственничные леса плакоров - 10%. Тополево-чозениевые лиственничные леса занимают 18% площади ^[2]. В наиболее низменных местах формируются комплексные и крупнокочкарные и полигональные болота. По левобережной части впадины протекают рр. Сеймчан, Эльген с густой сетью притоков. На правобережной части имеется много озёр и протекает р. Буюнда. Подножия окружающих впадину гор покрыты лиственничными редколесьями с кедровым стлаником в подлеске ^[1].

Формирование полигональных торфяников в районе Верхней Колымы обусловлено климатическими и гидрологическими особенностями этого региона, а также широким развитием многолетнемерзлых пород. Болота и заболоченные земли широко развиты на территории Магаданской области, их площадь составляет 48 154 км^{2 [2]}. Полигональные болота, как правило, расположены в пределах слабо выраженных депрессий на плоских участках или склонах, часто полигональные болота располагаются в пределах плоских озёрных впадин, встречаются торфяники на склонах горных долин. Общие запасы торфа в Магаданской области оцениваются ^[3] в 2 млрд т.

В Сеймчано-Буюндинской впадине имеются как крупные месторождения торфа (более 1 млн. т), тяготеющие к речным долинам, так и средние и малые месторождения (рис. 2). Верхне-Сеймчанское месторождение - самое крупное в Среднеканском районе Магаданской области. Полигональные торфяники развиты и вдоль долины Колымы, они постоянно размываются, в результате отдельные участки низкой поймы р. Колымы покрыты перемытым торфом (рис. 3). Значительные скопления торфа сформировались в результате процесса зарастания озер. В.Е. Глотов, Л.П. Глотова описывают формирование торфяников в этом регионе на склонах горных долин с выпуклым профилем ^[3]. Обычно объем долинных «висячих» торфяников не превышает первых десятков тысяч кубических метров. Как правило они располагаются в местах перегиба от более пологого (не более 15-20°) участка горного склона к крутому до 30-35° и на поверхности нагорных террас.

Рис. 2. Схема торфоносности Семчано-Буюндинской впадины, по ^[3], в том числе площади: 1 - высокоперспективные для поисков крупных (более 1 млн. т) месторождений торфа разного состава (поверхности межгорных впадин, грабены речных долин); 2 - перспективные для поисков средних (0,1-1 млн. т) месторождений торфа (поверхности днищ речных долин, малых межгорных впадин); 3 - перспективные для поисков малых (менее 0,1 млн. т) месторождений торфа разного состава (поверхности днищ речных долин, пологие горные склоны, плоские водоразделы); 4 - спорадического распространения скоплений мохового слаборазложенного торфа; 5 - месторождения; 6 - основные автодороги

Поскольку в зоне перегиба происходит рассредоточенная разгрузка поверхностного стока, а водоупор, образованный многолетнемерзлыми породами, расположен близ проверхности склона, создаются благоприятные условия для произрастания сфагновых и зеленых мхов, в результате возникают так называемые «висячие» торфяники плохоразложившиеся и малозольные, которые постепенно сползают к подножью склона, где их мощность может превышать 1 м ^[3].

Многолетнемерзлые породы развиты повсеместно. Их мощность достигает 400 м, глубина сезонного протаивания в зависимости от экспозиции склонов колеблется от первых десятков сантиметров до 4-5 м (на южных склонах) ^[5]. Под долинами рек часто сквозные талики. В целом в бассейне Верхней Колымы пойменные талики занимают около 90% протяженности долин ^[6]. В поймах крупных рек, где имеются круглогодичные межмерзлотные таликовые участки, в зимний период часто образуются обширные наледи ^[3]. Небольшие реки и ручьи промерзают до дна. Весенние половодья высокие и бурные; летом бывает несколько дождливых паводков, и их уровень иногда даже более высок, чем при весеннем половодье. Практически все реки имеют глубоко врезанные террасированные долины с регулярно заливаемыми поймами. Питание рек дождевое, снеговое, частично за счет надмерзлотных вод. Крупные реки покрыты льдом около 7-7.5 месяцев в году ^[1]. Большая мощность многолетнемерзлых пород обусловлена низкими зимними и среднегодовыми температурами, в то время как заметные величины протаивания связаны с высокими летними температурами.

Рис. 3. Торфяные берега на пойме р. Колыма, сформировавшиеся в результате активного перемыва торфяных залежей, из ^[7]

Рис. 4 . Тренды изменения среднегодовой температуры воздуха в районе пос. Сеймчан по данным наблюдений с 1965 по 2005 гг. По ^[8]: 1 - 1965-1995; 2 - 1990-2005; 3 - 1965-2005 гг.

Климат в пределах Сеймчано-Буюндинской впадины ультраконтинентальный, субарктический. Поскольку территория Верхней Колымы находится под воздействием северо-восточной периферии Сибирского антициклона, зимы здесь экстремально холодные, а лето весьма жаркое. Среднегодовая температура воздуха составляет ?12,8°С, средняя температура января ?39,2°, при абсолютном минимуме ?61°, средняя температура июля +15,6°С, при абсолютном максимуме +35°С. В горных долинах, обрамляющих Сеймчано-Буюндинскую впадину, выражена зимняя температурная инверсия (ок. +2°С на 100 м подъёма), характерная особенность - холодные стоковые ветры -- «хиусы». Годовая сумма осадков -- 286 мм, около половины этого количества выпадает в виде снега. Снеговой покров рыхлый и равномерный, в конце зимы его мощность достигает 120 см, а разрушение происходит в середине мая. Весна короткая, отличается резкими колебаниями температуры в течение суток. Весной переход среднесуточной температуры через 0 °С отмечается 8-10 мая, осенью -- 20-22 сентября. Продолжительность вегетационного периода - 100-120 дней ^[4]. Имеющиеся данные наблюдений по метеостанции Сеймчан (рис. 4) свидетельствуют, что в течение период 1965-2005 гг. прослеживается тенденция к небольшому росту среднегодовой температуры воздуха ^[8]. При этом отмечается снижение величины амплитуды колебания значений этого показателя за счет роста минимальных значений, т.е. наблюдается смягчение зимних условий. Территория по данным Г.В. Малковой с соавторами термически не устойчива. Широкие пойменные участки долины р. Колымы, окаймленные горами, не смотря на очень суровые зимние условия, характеризуются уникальным микроклиматом в летний период. Пойменные и торфяные почвы, а также условия тепло- и влагообеспеченности, дают возможность для вызревания в открытом грунте картофеля, капусты, свеклы, моркови, и других культур. Наличие торфа на участках сельхозугодий позволяет обеспечить приготовление торфокомпоста и, тем самым повысить урожайность сельхозкультур. В климатических условиях Сеймчано-Буюндинской впадины величина опада растений во всех экосистемах превышает скорость его разложения, что приводит к накоплению растительных веществ как на избыточно увлажненных, так и на дренируемых участках. Толщина слоя накопленного торфа в бассейне верхнего течения р. Колыма - от 26 см по лиственничным редколесьям на абсолютных отметках около 1000 м до 33 см на площади лишайниково-мохового арктолесья на абсолютных отметках около 900 м ^[3].

Почвенному профилю Сеймчано-Буюндинской впадины свойственны низкие температуры, переувлажнение, постоянный водоупор, образованный многолетнемерзлыми породами на глубине 40-70 см. Болотно-мерзлотные почвы встречаются под северо-таежными осоко-моховыми, редкостойными кустарниковыми лиственничниками на безлесных кустарничковых кочкарных полигональных и бугристых болотах, часто в сочетании и комплексах с другими почвами. Они формируются в условиях избыточного увлажнения, на пониженных элементах рельефа, на равнинных террасах, плоских поверхностях увалов, нижних частях склонов и шлейфов, отличающихся затрудненным поверхностным и внутрипочвенным дренажом. К типу болотных относятся почвы, в которых торфяной слой более 30 см. В зависимости от растительного состава торфа и водного питания они подразделяются на подтипы: сфагновые (верховые), сфагново-торфяные (травяные) и низинные (травяные). По мощности торфа подразделяются на торфяно-глеевые, когда горизонт торфа не менее 30 см, но и не более 50 см, и на торфяные, когда мощность торфяного слоя не более 50 см. Основная территория представлена лесными сообществами - около 60% (с учетом заболоченных лесов - до 73%), площадь луговых формаций (редкотравные и куртинные разнотравные луга) незначительна - 11%, остальная территория представлена водно-озерными растительными формациями, а также гарями, пустырями, отмелями ^[2].

Методика проведения отбора и измерений

Отбор проб газа из мерзлого торфа производился по методике, разработанной во ВНИИ Геоинформсистем РАН. Монолиты мерзлых пород и льда помещались в насыщенный раствор поваренной соли, в естественных условиях при температуре среды около 7 - 10°С. Предварительно мерзлый монолит выдерживался в растворе в течение 5-10 минут для удаления газов попавших на поверхность монолита при отборе. Далее выделяющиеся в процессе таяния мерзлого монолита газы собирались в воронку, также наполненную раствором соли. Воронка соединялась со стеклянным пробоотборником. Выделившиеся при естественном давлении газы собирались в пробоотборнике. После наполнения пробоотборника он герметически закрывался резиновой трубкой, образец помещался в специально подготовленный контейнер. При перевозке образцы оберегались от встряхивания и перегрева. Ввиду небольшой концентрации газов было необходимо повторять загрузку воронки до 10 - 15 раз. Таяние мерзлого торфа происходило достаточно медленно, поэтому для получения минимально достаточного объема газа - (50 - 70 мл) требовалось 2 - 3 дня на один образец. Лед таял значительно быстрее и для получения образца газов изо льда было достаточно нескольких часов.

Отбор образцов повторно-жильного льда на изотопный анализ производился в двойные пластиковые пакеты. Лед таял при температуре окружающей среды, полученная талая вода переливалась во флаконы, при переливе исключалось формирование пузырька в верхней части флакона. Объем образца 0.1 л. Отбор образцов для палинологического анализа производился в баки, объемом 10 л, после таяния образец отстаивался в течение минимум 12 часов осажденная взвесь переливалась во флаконы объемом 0.5 л.

Определения газового состава были проведены в НИИ шинной промышленности. Определения выполнялись на хромато-масс-спектрометре Hitachi M-80. Резиновая трубка прокалывалась шприцем и бралась проба воздуха над водой объемом 1 мл. Проба закалывалась в инжектор хроматографа и производились определения. Начальная температура газовой сьемки была 30°С Образец выдерживался 5 мин. Затем температура быстро повышалась до 270°С. Газ из колонны выходил сразу полностью.

В связи с низким содержанием сероводорода в газах была предпринята попытка исследовать его концентрацию в органическом веществе, которое попало в воду при экстракции газов. Для этого раствор смешивался с ацетоном и, затем, концентрировался путем выпаривания.

Результаты исследования и обсуждение

Сеймчанский полигональный торфяник, который местные жители называют Чукачи, один из самых крупных в Магаданской области. Его высота над уровнем моря 188-219 м, координаты 62^о45'32" с.ш. 152^о12'12" в.д. Торфяник исследовался А.Д. Зенько в 1974-1975 и 1978 гг., и А.В. и Л.П. Глотовыми в 2010 г. Балансовые запасы торфа-сырца - 14,9 млн. м³, или 3,08 млн. т сухого торфа при средней мощности 0.9 м ^[3].

На поверхности торфяника хорошо выражена полигональная структура, созданная сетью глубоких морозобойных трещин. Над морозобойными трещинами заметны валики, в центр полигонов часто обводнен. Вода в полигональных ваннах коричневого цвета с пеной. На торфянике есть мелкое озеро, образовавшееся путем слияния полигональных ванн в результате протаивания полигонально-жильных льдов. По периферии торфяника гари, фиксируемые зарослями иван-чая и остатками сгоревших стволов деревьев. Полигоны как правило, правильной формы, диаметром 10-15 м. Ширина ложбин (трещин) ? 0.5 м. Глубина протаивания торфа на момент исследования составила 0.7 м в полигональной ванне и 0.5 на валике. На поверхности торфяника в его краевой части в пределах полигональной канавки выкопан шурф, глубиной 1.5 м. В разрезе сверху вниз отмечены осоково-сфагновый, осоковый и гипновый торф. Ширина ледяной жилы в верхней части 1.4 м. Лед жилы вертикально полосчатый. Степень разложения торфа изменяется от 60% в нижней части, до 5% верхней части, зольность также меняется в широких пределах - 2-32.9 %, средняя 8.5 %. Средняя влажность составляет 85.6 % при колебаниях от 68.4 до 96 %. Льдистость в интервале 0.7-1.5 м составляет 75-90 %.

Измерения изотопного состава воды из озера на поверхности торфяника, свидетельствуют о том, что вода озера представляет собой смесь талых снеговых вод, дождевых вод и воды, образовавшейся при протаивании повторно-жильных льдов, значение д¹⁸О составило -18.6‰, в то время как значение д¹⁸О образца сегрегационного льда над ПЖЛ -20.1‰, воды из озера на пойме р. Колыма -15.4‰.

Таблица 1. Состав защемленных газов (объемные %) и изотопный состав (‰) торфяников и повторно-жильных льдов Сеймчано Буюндинской впадины

Наиболее важным результатом проведенного анализа состава газов, защемленных в торфянике, можно считать установление двух важных фактов. Первое, относительно небольшое присутствие в их составе сероводорода, второе, наличие больших концентраций метана в пустотах» в современных торфяниках. Так нормальным для современного фона является концентрация менее 100 х 10^-3 объемных процентов, а для воды из озера на торфянике Чукачи содержание метана на 1.5 порядка выше и составляет 15 400.0 х 10^-3 объемных %. Вода из таких термокарстовых озер, во множестве имеющихся на поверхности торфяников, имеет своеобразный "мыльный" облик. Из-за высокого содержания метана пена образуется даже при не очень сильном взбивании воды. Столь высокое содержание растворённого метана свидетельствует о том, что озерная вода является одновременно и ловушкой газов, выделяющихся из оттаивающего торфа и средой, в которой интенсивно идут процессы редукции углеводородов. Важно отметить, что в образцах из торфяника Чукачи (и из мерзлого торфа, и из озера на поверхности) также велико содержание водорода: 20-40 х 10 объемных процентов. Как было показано длительными экспериментами М.В. Иванова ^[9], наличие водорода - одно из обязательных условий для жизнедеятельности метанообразующих бактерий. Тем не менее высокое содержание углекислого газа относительно фона свидетельствует об активности метанообразующих бактерий архей в изученном торфянике. Метанообразующие бактерии - разлагают простые органические соединения на углекислый газ и метан.

Экспериментально доказано, что при разложении илов в водной среде не менее 80% метана образуется за счет реакции восстановления углекислоты водородом. Содержание кислорода, азота и углекислого газа в иммобилизационных газах в мерзлых толщах разного типа и возраста долины р. Колымы примерно одинаково. Специальные газово-хроматографические исследования показали, что в голоценовых торфяниках в долине р.Колыма содержание сероводорода незначительно и мало варьирует в мерзлых толщах разного генезиса. На масс-спектрограммах пик сероводорода несколько выше, чем в современном воздухе. Проведенные дополнительные исследования исключили частичное растворение сероводорода в процессе отбора образцов. Для оценки возможности частичного растворения сероводорода в рассоле при отборе образцов был проведён эксперимент по исследованию газового состава рассола. Этот эксперимент показал наличие очень незначительного количества гомологов серы (что доказывает отсутствие растворенного сероводорода), а также наличие диметил 2 - метилол - диоксолана, метанола, и изопропила. Надо отметить, что концентрация обнаруженных ядовитых соединений в растворах под газовыми образцами все же очень мала. Однако, при широком развитии восстановительных процессов повышение концентрации метиловых соединений и фенолов может оказать нежелательное воздействие на наследственно - генетичесие свойства биоты.

Таблица 2. Состав пыльцы и спор в повторно-жильных льдах торфяника Чукачи (содержание спор рассчитано от общей суммы пыльцы, принятой за 100%)

Всего из повторно-жильных льдов торфяника Чукачи исследовано 2 образца, объемом 10 л. Полученная палинологическая характеристика выглядит достаточно контрастно. Во-первых, в повторно-жильных льдах из этого торфяника получены самые высокие концентрации пыльцы и спор (табл. 2). В образце с глубины 0.9 м преобладает пыльца кустарников, отчетливо выделяется максимум пыльцы кедрового стланика (46%), который сопровождается повышенным содержанием пыльцы ольховника (16%) среди древесных пород доминирует пыльца березы (21%), среди спор заметно участие спор многоножковых папоротников (14%). В образце, отобранном с глубины 1.5 м содержание пыльцы древесных пород и кустарников одинаково, доминирует пыльца берез древесных (43%) и кустарниковых (34%) форм, среди спор часто встречаются споры зеленых мхов (29%). Содержание пыльцы травянистых растений не превышает 10%, что характерно для палиноспектров из повторно-жильных льдов, поскольку они отражают весенний пыльцевой дождь, когда травянистые растения еще не начали продуцировать пыльцу. Отметим встречающуюся в палиноспектрах пыльцу лиственницы, что указывает на присутствие лиственницы в регионе. Таким образом, в весеннем пыльцевом дожде времени накопления верхней части повторно-жильных льдов отслеживается смена доминирования пыльцы древесных и кустарниковых берез на преобладание пыльцы кедрового стланика. Одним из ключевых моментов истории растительности Западной Берингии является переход от раннеголоценовых ландшафтов которые палинологически характеризуются доминированием пыльцы березы к ладшафтам близким к современным, для палиноспектров которых характерно высокое содержание пыльцы кедрового стланика ^[10], таким образом можно предположить, что торфяник Чукачи, также как и торфяник , расположенный несколько южнее в низовьях р. Бахапча ^[10], начал накапливаться в раннем голоцене.

Дискуссия

Первые определения состава газовых включений в подземных льдах выполнены П.А. Шумским ^[11]. Он указал на низкое содержание кислорода в воздухе пузырьков из ледяных жил, составляющее 0.6 - 5.4% и преобладание инертных (азот, аргон и др.) газов и газов, имеющих биохимическое происхождение (метан, аммиак, водород и др). А.А. Архангеловым проведены определения газового состава ^[12] в нескольких образцах повторно-жильных льдов в низовьях р. Малый Анюй и р. Индигирка, а также в пластовых льдах и ледниках (табл. 3). Сопоставление с этими данными показывает, что содержание кислорода в торфянике Чукачи на два порядка ниже, сопоставимые значения кислорода отмечены для позднеплейстоценовых повторно-жильных льдов, зато содержание водорода в торфянике Чукачи на два порядка выше. Содержание азота в торфянике Чукачи ниже, чем в других изученных объектах и только в повторно-жильных льдах и в воде озера на торфянике содержание азота приближается к содержанию его в атмосфере. Отметим довольно высокое содержание метана в торфянике Чукачи, что является следствием жизнедеятельности микроорганизмов.

Таблица 3. Содержание газов в современных и голоценовых ледяных жилах, пластовых ледяных залежах, ядрах пинго, полярных ледниках, по ^{[12, 13]}

По мнению Е.В. Новгородовой ^[12], проводившей, под руководством А.А.Архангелова исследования газового состава повторно-жильных льдов, значительное воздействие на состав газовых включений в повторно-жильные льды оказывают сезонные фазовые переходы на подошве сезонно-талого слоя и в кровле жил, залегающих непосредственно под слоем сезонного протаивания. Образующаяся при таянии текетурообразующих льдов вода не насыщена газам обогащение воды газами, входящими в состав почвенного воздуха, происходит при последующем замерзании. Газы атмосферного происхождения чаще играют основную роль, в то время как почвенные газы - это та дополнительная компонента, которая ведет к дифференциации газового состава жил в разных фациальных условиях. Относительное обогащение кислородом жил, формирующихся в старичных отложениях по заключению Е.В.Новгородовой ^[12]происходит за счет фотосинтеза растений и зеленых водорослей, осваивающих зарастающее русло. А увеличение содержания метана и водорода связывается с активной жизнедеятельностью бактерий. В условиях прирусловой отмели биологические процессы протекают, очевидно, менее интенсивно, с чем, вероятно и связано уменьшение кислорода и биохимических газов формирующихся здесь. Погребенный жильный росток на аласной пойме р.Индигирки, вероятно быстро прекратил свой рост, поэтому газы здесь накапливались в процессе протекания внутренних биохимических реакций, а не газообмена с окружающим воздухом. С этим, вероятно можно связать обеднение биогенными газами и кислородом и увеличение содержания С0₂ за счет окисления. Состав воздушных включений в основных типах подземных льдов севера Азии характеризуется повышенным содержанием углекислого газа и метана ^[13]. Углекислым газом более всего относительное насыщены текстурообразующие льды (максимум до 50%) и полигонально-жильные льды (до 30 %), а метаном - текстурообразующие льды (до 40%) и пластовые льды (до 25%). Эмиссия метана и углекислого газа зависит от их концентрации в подземных льдах, объема воздушных включений. темпов термоденудационных процессов, а также от площади и объемов уничтожения многолетнемерзлых пород. Например, величина эмиссии метана, при отступании морского берега едомного типа длиной всего 10 км приведет к эмиссии метана, исчисляемой миллионами литров (до 1-4 млн л). Еще больше метана может выделиться на участке размером 10 км² при протаивании подземных льдов на глубину 1 м.

Исследования, проведенные в последнее время ^[14], подтверждают, что эмиссия парниковых газов из районов криолитозоны оказывает существенной влияние их концентрацию в атмосфере Земли. Установлено, что водоемы криолитозоны - один из главных источников CO₂ и CH₄. Максимальное поступление парниковых газов в атмосферу отмечено для олиготрофных водоемов. Суточная вариация потоков газа в значительной степени зависела от динамики переходного слоя. В сезонном масштабе времени устойчивая термическая стратификация и накопление газа на глубине указывают на то, что осень является критически важным периодом для выбросов парниковых газов из субарктических водоемов ^[15]. Отметим, что, метан в настоящее время рассматривается как основной парниковый газ, который поступает в атмосферу в полярных областях ^[16].

Содержание метана в многолетнемерзлых толщах на севере Колымской низменности исследовано Е.М. Ривкиной с соавторами ^[17] на переносном газовом хроматографе ХШ-3 с пламенно-ионизационным детектором. Анализ выполнялся в полевых условиях по измерениям в мерзлых кернах, полученных при бурении в голоценовых, позднеплейстоценовых и плиоценовых отложениях в среднем течении р. Большая Чукочья и в районе оз. Ахмело (халерчинская тундра). В голоценовых песках халерчинской тундры метан не обнаружен, а в пойменном болоте, расположенном в 100 м от скважины, пробуренной в песках, метан присутствует, как в сезонно-талом слое, так и в мерзлых породах (в основном 5-6 мл/дм³, но на глубине около 1.5 м отмечен пик в его содержании - 14.4 мл/дм³). В позднеплейстоценовых (едомных) толщах в одной из скважин метан обнаружен только в первых 2-3 м, его содержание уменьшалось от 20,6 мл/дм³ на границе сезонно-талого слоя (0.7 - 0.8 м) до 0.9 мл/дм³ на глубине 2.3 м. В скважине, прошедшей в ледяной жиле метан не обнаружен (во всяком случае его содержание не превышало 0,01 мл/ дм³). В скважинах в песчано-супесчаных отложениях олерской свиты (поздний плиоцен - ранний плейстоцен) концентрация метана изменялась от 3.2 до 63.7 мл/дм³. Вероятно, суровые геокриологические условия позднего плейстоцена не благоприятствовали образованию метана, а в голоцене когда глубина летнего протаивания увеличивалась в верхней части осадков едомной свиты, возникали условия благоприятные для протекания восстановительных процессов и в том числе метанообразования в протаивающем слое. Низкое значение содержания метана в едомных толщах перекрывающих отложения олерской свиты свидетельствует о низкой миграционной способности метана, при, низких температурах. По данным Г.Краева и Е.Ривкиной ^[18] средняя концентрация метана в сезонно талом слое и периодически оттаивающих горизонтах в кровле многолетнемерзлых пород Северо-Востока Сибири составляет 1.4 см³/кг. Однако, в условиях, благоприятных для биогенного продуцирования и накопления метана отмечаются локальные максимумы концентрации до 15 см³/кг.

Отметим, что на состав торфяных газов оказывают процессы сезонной газогеохимической цикличности в сезонно-талом слое на торфяниках отмеченные В.Е.Глотовым ^[19]. Эта цикличность проявляется в сезонной смене окислительной обстановки на восстановительную с соответствующей перестройкой всего комплекса биогеохимических реакций. Установлено, что в результате этого происходит аккумуляция фенольных соединений в торфе в холодный период года.

Заключение

В Сеймчано-Буюндинской впадине существуют обширные торфяники, накапливавшиеся синкриогенно (часть из них залита водами Усть-Среднеканского водохранилища площадью 265 кв. км). Установлено, что сероводород в торфянике Чукачи присутствует в незначительных количествах, в то время как содержание метана значительно - 15 400 х 10^-3объемных %, что в полтора раза выше современного фонового содержания метана в воздухе. Высокое содержание метана, растворённого в воде озера на поверхности торфяника, свидетельствует о том, что озерная вода является одновременно и ловушкой газов, выделяющихся из оттаивающего торфа и средой, в которой интенсивно идут процессы редукции углеводородов. Высокое содержание углекислого газа относительно фона свидетельствует об активности метанообразующих бактерий в изученном торфянике.

Выводы

- установлено высокое содержание метана как в мерзлом торфянике Чукачи, так и в озерной воде на поверхности торфяника;

- установлено, что озеро на поверхности торфяника является одновременно и ловушкой для газов, выделяющихся из оттаивающего торфа, так и депонирующей средой, в которой интенсивно идут процессы редукции углеводородов;

- в составе газов, защемленных в мерзлом торфянике велико содержание водорода, что является одним из обязательных условий жизнедеятельности метанообразующих бактерий.

Библиография

1.Флора и растительность Магаданской области (конспект сосудистых растений и очерк растительности). Магадан: ИБПС ДВО РАН, 2010, 364 с.

2.Утехина И.Г. Заповедник «Магаданский» // Охрана природы, 2018, №1, с. 121-136

3.Глотов В.Е., Глотова Л.П. Торфяные ресурсы Северо-Востока России: особенности распространения, формирования и перспективы хозяйственного использования// Вестник ДВО РАН, 2014, № 5, с. 65-71.

4.https://ru.climate-data.org/ /азия/россииская-федерация/магаданская-область/seymchan-52370/ дата обращения 23.12.2018

5.Шпикерман В. И., Полуботко И. В., Васькин А. Ф. Петухов В. В. и др. Государственная геологическая карта Российской федерации. Масштаб 1 : 1 000 000 (третье поколение). Серия Верхояно-Колымская Лист Р-55 - Сусуман. Объяснительная записка. - СПб.: Изд-во СПб.: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2016, 522 с. + вкл.

6.Михайлов В. М. Пойменные талики в долинах меандрирующих водотоков Северо-Востока России // Криосфера Земли, 2016, т. 20, № 2, с. 41-48.

7.https://st.depositphotos.com/1000929/2558/i/950/depositphotos_25584755-stock-photo-peat-banks-of-river-kolyma.jpg дата обращения 23.12.2018

8.Малкова Г.В., Павлов А.В., Скачков Ю.Б. Оценка устойчивости мерзлых толщ при современных изменениях климата // Криосфера Земли, 2011, т. XV, № 4, с. 33-36.

9.Иванов М.В. Рыжова H.H. Интенсивность образования сероводорода в некоторых грунтах литорали Баренцева моря // Докл. АН СССР.1960.130. №1. С.187-188.

10.Важенина Л.Н., Ложкин А.В. Нижнеголоценовые торфяники Северо-Востока Сибири // Известия РАН. Серия географическая, 2013, № 5, с. 74-84

11.Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. Петрография пресного льда как метод гляциологического исследования. М. Изд-во АН СССР. 1955, 292 с.

12.Новгородова Е.В. Газовый состав современных полигонально-жильных льдов Колымо-Индигирской низменности// Вестник Московского университета. Серия 5. География, 1988, №1.

13.Arkhangelov A. A. Novgorodova E. V. Genesis of Massive Ice at `Ice Mountain', Yenesei River, Western Siberia, according to Results of Gas Analyses//Permafrost and Periglacial Processes, 1991, Vol 2, p. 167-170.

14.Laurion I., Vincent W.F., Macintyre S., Retamal L., Dupont C., Francus P., Pienitz P. Variability in greenhouse gas emissions from permafrost thaw ponds // Limnology and Oceanography, 2010, vol.55, no. 1, p. 115-133. DOI: 10.4319/lo.2010.55.1.0115.

15.Kuhn M., Lundin E. J., Giesler R., Johansson M., Karlsson J. Emissions from thaw ponds largely offset the carbon sink of northern permafrost wetlands // Scientific Reports, 2018, vol. 8, no.1, 9535. DOI: 10.1038/s41598-018-27770-x

16.Якушев В.С. Генетические типы углеводородных газов в многолетнемерзлых толщах// Криосфера Земли, 2015, т. XIX, № 3, с. 71-76.

17.Ривкина Е.М., Самаркин В.А., Гиличинский Д.А. Метан в многолетнемерзлых колымо-индигирской низменности//Доклады РАН. 1992, т.323. №3, с. 559-562.

18.Краев Г.Н., Ривкина Е.М. Накопление метана в промерзающих и мерзлых почвах криолитозоны // Arctic Environmental Research, 2017, т. 17, № 3, с. 173-184. DOI: 10.17238/issn2541-8416.2017.17.3.173.

19.Глотов В.Е. Газогеохимическая цикличность в сезонно-талом слое низменностей криолитозоны // Докл. АН СССР, 1992,т. 325, № 1, с. 150-152.

Размещено на Allbest.ru