Содержание и состав атмосферных и парниковых газов в подземных льдах разного генезиса

Abstract

Актуальность. Парниковый эффект связывают с поступлением метана и углекислого газа из оттаивающих газонасыщенных льдистых пород, а их содержание в подземных льдах недостаточно изучено. Для оценки содержания газов в отложениях и льдах, объемов поступления газов в атмосферу используют разные и несопоставимые методы отбора проб газа. При обобщении данных об углеродной эмиссии в Арктической зоне необходимо учитывать методы определения содержания и состава газов и химический состав, наличие органических и минеральных включений в генетических типах подземных льдов. Цель: определить содержание и состав газов в распространенных генетических типах подземных льдов и мерзлых отложений; определить сопоставимость результатов разных методов отбора газа для оценки масштабов эмиссии парниковых газов в атмосферу на фоне протаивания мерзлоты. Объекты: подземные льды сегрегационного, термокарстово-полостного и повторно-жильного генезиса, льдистые мерзлые отложения севера Западной Сибири на о. Белый, Западном Ямале, севере Гыдана и Пур-Тазовском междуречье, собранные экспедициями ИКЗ ТюмНЦ СО РАН в 2014-2019 гг. Методы исследования и интерпретации химического состава. Использованы два метода извлечения газа из монолитов мерзлых пород и льда: метод термовакуумной дегазации и метод «headspace». Метод термовакуумной дегазации в лабораторных условиях с определением объёма газа в образце льда был использован как референтный. Состав атмосферных и парниковых газов определен методом газовой хроматографии. Проведено сравнение содержания газа во льдах и мерзлом торфе с содержанием газа в атмосфере, значениями растворимости газа в воде. Выполнен корреляционный анализ содержания газов в распространенных типах подземных льдов и мерзлом торфе. Результаты. Установлено, что газ, заключенный в подземных льдах и мерзлом торфе, по относительному содержанию азота и кислорода близок к атмосферному. В пробах выявлены большие вариации содержания метана от 4 до 1,7•104 ppmV и углекислого газа от 7 до 2,7•103 ppmV, которые связаны с различными условиями для продуцирования и накопления парниковых газов в мерзлой толще. Установлено преобладание содержаний углекислого газа над метаном в сегрегационных и повторно-жильных льдах. Максимальные концентрации метана (от 1,1•103 до 1,7•104 ppmV) обнаружены в сегрегационномиграционных льдах бугра пучения и клиновидных льдах. Избыток метана в приповерхностных сегрегационно-миграционных льдах связан с его накоплением в оттаивавших отложениях таликов и последующим льдовыделением при промерзании в замкнутой системе. Установлены высокие содержания углекислого газа (до 1,1Установлены высокие содержания углекислого газа (до 1,1•103 ppmV) и метана (до 222 ppmV) в сегрегационном льду в торфе, их источником является органическое вещество, разлагающееся в переменных аэробных и анаэробных условиях под действием бактерий, поэтому торфяники являются значительным источником поступления углекислого газа в атмосферу. Проведена оценка воспроизводимости и сопоставимости методов термовакуумной дегазации и «headspace» при исследовании льдов и мерзлых отложений в разрезе торфяника в районе с. Газ-Сале. Установлено, что концентрации метана при опробовании методом «headspace» завышены в 3-70 раз по сравнению с величинами, определенными методом термовакуумной дегазации. Это обусловлено низкой растворимостью метана и преобладанием его в пузырьках, а углекислый газ и часть кислорода остаются растворены в воде и не переходят в пробу газа. Следовательно, данных о содержании газа, определенного методом «headspace», недостаточно для оценки объемов эмиссии парниковых газов, поскольку эти величины характеризуют состав нерастворенного газа. Метод термовакуумной дегазации позволяет рассчитать и оценить объемы поступления газов из оттаивающих мерзлых толщ.

The relevance. The greenhouse effect is often associated with methane and carbon dioxide emission from the thawing gas-saturated icy deposits. The relationship between the increase in concentrations of greenhouse gases in the atmosphere and their content in underground ice and frozen deposits has not been sufficiently studied. Different and incomparable methods of gas sampling from frozen deposits and ice are used to assess the content of gases in sediments and ice, the volume of gases entering the atmosphere. When generalizing the data on carbon emissions in the Arctic zone, it is necessary to take into account both the methods of determining the content and composition of gases and the different chemical composition, the presence of organic and mineral inclusions in genetic types of underground ice. The aim of the research is to determine the results of different methods of gas sampling from ice and to establish the relationship between the content and composition of gases in common genetic types of ground ice. Objects: genesis types of ice (segregated, closed-cavity, and ice wedge), icy frozen deposits of the north of Western Siberia: on the Bely island, on Western Yamal, on the north of Gydan and the Pur-Taz interfluve, collected in expeditions of the Earth Cryosphere Institute, Tyumen scientific center SB RAS in 2014-2019. Research methods and interpretation of chemical composition. The thermal vacuum degassing method and the «headspace» method were used for gas extraction from frozen monoliths and ice. The thermal vacuum degassing method in laboratory conditions with the determination of the gas volume in the ice sample was used as a reference. The method of gas chromatography was applied to determine the composition of atmospheric and greenhouse gases. Gas content in ice and gas content in frozen peat that contains gas in the atmosphere, and the values of the gas solubility in water were compared. The correlation analysis of the gas content in common types of underground ice, as well as frozen peat, was carried out. Results. It was established that gas entrapped in ground ice and frozen peat was similar to atmospheric gas in terms of the relative content of nitrogen and oxygen. It was found out the large variations in methane content from 4 to 1,7•104 ppmV and carbon dioxide from 7 to 2,7•103 ppmV in samples are associated with different conditions for production and accumulation of greenhouse gases in the permafrost. The prevalence of carbon dioxide content over methane in segregated ice and ice wedge was established, and maximum methane concentrations (from 1,1•103 to 1,7•104 ppmV) in segregated-migration ice of heaving mound and wedge-shaped ice. An excess of methane in the near-surface segregated-migration ice is associated with its accumulation in thawed talik deposits and subsequent ice formation during freezing in a closed system. High concentrations of carbon dioxide (up to 1,1•103 ppmV) and methane (up to 222 ppmV) in segregated ice in peat were found; their source is organic matter degradation under variable aerobic and anaerobic conditions under the action of bacteria. As a result, the peatlands are a significant source of carbon dioxide emissions into the atmosphere. Assessing reproducibility and comparability of the methods of thermal vacuum degassing and «headspace» was carried out in the study of ice and frozen sediments in the cross section of peat bog in the area of the village Gaz-Sale. It was found that methane concentrations during testing by the «headspace» method are overestimated by 3-70 times in comparison with the values determined by the method of thermal vacuum degassing. This is due to the low solubility of methane and its predominance in bubbles, while carbon dioxide and some oxygen remain dissolved in water and do not pass into the gas sample. Consequently, the data on the gas content determined by the «headspace» method is insufficient to estimate the volumes of greenhouse gas emissions, since these values characterize the qualitative composition of the gas in the bubbles. Thermal vacuum degassing method allows calculating and estimating the volumes of gas receipts from thawing permafrost.