Ученые ТПУ: подводная мерзлота на Восточно-Сибирском арктическом шельфе деградирует быстрее, чем считалось ранее

9 August, 2017

Скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты на Восточно-Сибирском арктическом шельфе за последние 30 лет достигают 18 см в год (среднее значение 14 см в год), что на порядок выше, чем считалось ранее. Результатами, полученными по итогам самого масштабного исследования состояния подводной мерзлоты за всю историю изучения не только в Российской Арктике, но и в Арктике в целом, поделились ученые Томского политехнического университета в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Фото: арктическая экспедиция российских и шведских ученых SWERUS-C3

В июле ученые ТПУ опубликовали научную статью в журнале Nature Communications (IF 12,1; Q1).

Соавторами политехников стали ученые из России и Швеции.

Как сообщают ученые, ранее считалось, что основная часть подводной мерзлоты шельфа морей Восточной Арктики (МВА) — самого широкого и мелководного шельфа Мирового океана — является сплошной, что исключает возможность дестабилизации гигантского пула нижезалегающих гидратов метана. Согласно модельным оценкам экспертов Межправительственной панели климатических изменений (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), предполагается, что до конца 21 века деградация подводной мерзлоты в морях Восточной Арктики не может превысить нескольких метров, а для образования сквозных таликов (зон деградации — полного протаивания подводной мерзлоты) потребуется сотни, если не тысячи лет, что исключает возможность массированного выброса метана (СН4) — второго по значимости парникового газа — из донных отложений МВА в водную толщу-атмосферу вследствие разрушения гидратов. Исходя из этих выводов, основанных на моделировании без достаточно обоснованной формулировки начальных и граничных условий и без валидации по натурным данным, полученным учеными ТПУ в сотрудничестве с ведущими учеными из Международного Сибирского Арктического консорциума, созданного на научной платформе ТПУ, потенциальная климатическая роль шельфа МВА в контексте самой возможности массированного выброса метана в водную толщу-атмосферу рассматривается IPCC как малозначимая и исключается из рассмотрения. В статье показано, что это не так.

На основе повторного бурения четырех скважин, выполненных Институтом мерзлотоведения СО РАН в 1982-1983 годах, ученые доказали, что скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты в последний 30-летний период достигают 18 см в год (среднее значение 14 см в год), что примерно на порядок выше, чем было принято считать ранее.

«Прогрессирующая деградация (протаивание) подводной мерзлоты приводит к образованию газовыводящих каналов, наличие которых было предсказано на основе наших первых данных, полученных в МВА в 2000-2010 годах, и математического моделирования, — рассказывает первый автор статьи, профессор кафедры геологии и разведки полезных ископаемых ТПУ Наталья Шахова. — На основе новых результатов, полученных путем комплексных биогеохимических, геофизических, и геологических исследований, выполненных в 2011-2016 годах, мы приходим к выводу о том, что в некоторых районах Восточно-Сибирского шельфа кровля подводной мерзлоты уже достигла глубины зоны стабильности гидратов, разрушение которых может приводить к массированным выбросам пузырькового метана. Такие явления были открыты и документированы нашим авторским коллективом на протяжении многих лет как на мелководном, так и на глубоком шельфе МВА. А доказательство существования восходящего движения газового фронта через толщу осадков со скоростью до пяти метров в год также может служить подтверждением нашей гипотезы о дестабилизации гидратов как основного кандидата для объяснения аномально высоких концентраций метана в воде и воздухе Восточно-Сибирского шельфа, которая была опубликована в 2010 году в журнале Science. Согласно нашим результатам, опубликованным в Nature Geoscience, Science и Philosophical Transactions, Royal Society, величина пузырькового потока СН4 из донных осадков в воду в МВА может изменяться от миллиграммов до десятков и сотен граммов с квадратного метра в сутки — в зависимости от состояния подводной мерзлоты, что приводит к увеличению концентрации атмосферного СН4 в приводном слое до значений, в 2-4 раза превышающих фоновые концентрации, измеренные на нашей планете».

Наталья Шахова отмечает, что эти результаты были подтверждены в экспедиции, организованной и выполненной в МВА в 2016 году совместно с учеными из Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН (ТОИ), при участии Института океанологии РАН (ИОРАН) и Института физики атмосферы РАН (ИФА РАН); соответствующие публикации ожидаются в 2018 году.

«Кроме того, совместно с учеными из ИОРАН нами открыт новый механизм ускорения выброса пузырькового метана из донных осадков в воду (и далее в атмосферу) за счет ледового выпахивания стамухами на мелководье, и айсбергами на внешнем шельфе МВА, в результате чего образуются борозды, достигающие газового фронта.

Размеры этих борозд достигают многих километров, при глубине выпахивания до 4-6 метров, что во многих местах сопровождается пузырьковым выбросом СН4 в водную толщу-атмосферу», — поясняет руководитель Международной лаборатории изучения углерода арктических морей ТПУ, член-корреспондент РАН Игорь Семилеток.

Как отмечает, в свою очередь, Наталья Шахова выполнение недавно принятого Правительством РФ плана мероприятий по реализации Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года во многом зависит от понимания процессов и факторов, которые могут способствовать или препятствовать поступательному развитию Арктического региона.

«В настоящее время уровень этого понимания обеспечивается в основном гидрометеорологическими исследованиями. Однако без учета их связи с комплексом биогеохимических и геологических процессов, происходящих в результате деградации подводной и прибрежной мерзлоты, как показано в работе, опубликованной в Nature Communications, невозможно оценить риски, возникающие при освоении Арктического шельфа», — говорит Наталья Шахов.

Так, например, для безопасного ресурсного бурения необходимо иметь знания о положении, структуре и состоянии подводной мерзлоты, о местах, потенциально опасных в контексте возможного массированного и даже катастрофического выброса метана вследствие взрыва гидратов (такие случаи известны в Печорском море, Мексиканском заливе, проливе Дмитрия Лаптевых в Восточно-Сибирском море). В этом контексте, крайне важно продолжить комплексные исследования ученых ТПУ с коллегами из ведущих институтов и университетов России и других стран. Чтобы повысить технологический уровень работ по исследованию состояния подводной мерзлоты и освоению Арктического шельфа России, для реализации которых в 2018 году запланирована экспедиция, ученые считают целесообразным модифицировать последнюю версиюподводного аппарата ТПУ, который был испытан в экспедиции в моря Восточной Арктики в 2016 году

«Результаты нашего исследования дают принципиально новое знание о механизме процессов, ответственных за изменение состояния подводной мерзлоты на Восточно-Сибирском шельфе, на котором по разным оценкам сосредоточено до 80 % и более всей подводной мерзлоты Северного полушария, под которой находятся гигантские запасы углеводородов в форме гидратов, нефти, свободного газа.

В дальнейшем на основе этих данных будут пересмотрены и изменены подходы к изучению состояния подводной мерзлоты и его математическому моделированию, что крайне важно для снижения георисков, возникающих при проведении разведочного и промышленного бурения. Однако еще остается много нерешенных вопросов, на которые будут направлены дальнейшие исследования нашего научного коллектива», — заключает Игорь Семилеток.

Справка:

Подробнее с исследованиями Международного Сибирского Арктического консорциума, созданного на научной платформе ТПУ можно ознакомиться по ссылкам:

https://tpu.ru/research/fields/arctic;http://poisknews.runnet.ru/theme/publications/20163/; http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=e65b47df-836f-4717-acbd-5193b971a5f7; http://xn--m1afn.xn--p1ai/ru/node/2201.

Отметим, в 2014 году в Томском политехническом университете была создана Международная лаборатория углерода арктических морей, которая стала научной платформой для объединения научного и технического потенциала высшей школы и ведущих институтов Российской академии наук, и создания международного консорциума по исследованию морей Арктики, состоящая из представителей 14 университетов и научных центров России, Швеции, Нидерландов, Великобритании и США. Научная группа под руководством профессоров Томского политеха Игоря Семилетова и Натальи Шаховой выиграла на проведение этих исследований гранты Правительства РФ и Российского научного фонда. Результаты исследования вносят важный вклад в понимание функционирования Арктической климатической системы. Последняя публикация в Nature Communications подтверждает лидерские позиции российских ученых в этом приоритетном направлении наук о Земле, и продолжает ряд авторских публикаций в топ-журналах, включая Science и группу журналов Nature.