Газовый состав и микроорганизмы в подземных льдах российской Арктики

Abstract

Актуальность. Повышение концентраций парниковых газов в атмосфере является фундаментальной проблемой в масштабах планеты. Источником парниковых газов в приповерхностном горизонте мерзлых пород могут быть как глубинные залежи углеводородов, так и органическое вещество, переработанное микроорганизмами во время оттаивания толщи. Для уточнения источника газа в подземных льдах необходимым этапом является изучение его количества и состава, а также содержания в них микроорганизмов. На фоне развития энергетического комплекса на севере Западной Сибири требуется учитывать геотехнические риски, связанные с высвобождением парниковых газов из мерзлых толщ. Цель: изучить состав и определить источники парниковых газов во льдах и ледогрунтах с учетом условий формирования льда и содержания в них микроорганизмов. Объекты: подземные льды повторно-жильного, гидрогенного и сегрегационного генезиса; льдистые мерзлые отложения севера Западной Сибири и Центральной Якутии, собранные экспедициями Института криосферы Земли Тюменского научного центра СО РАН в 2011-2021 гг. Методы исследования и интерпретации химического состава. Криолитологическими методами изучено строение мерзлых отложений. Монолиты льда и мерзлых пород хранились до проведения анализов при температуре -18 °С. Экстракция газа из монолитов с определением объемной доли проведена методом термовакуумной дегазации. Состав газов определен методом газовой хроматографии. Проведена нормализация газового состава на значения растворимости в воде. Рассчитаны объемные доли газа, находящегося в свободной и растворенной в воде форме. Обработка данных осуществлена в программе «Geochem Anomaly». Культивируемые психрофильные микроорганизмы исследованы методом посева на питательные среды; общая численность микроорганизмов определена методом эпифлуоресцентной микроскопии. Результаты. В подземных льдах и ледогрунтах установлен состав газовых пузырьков: N2 (74,9-87,8 %), O2 (11,7-20,3 %), CO2 (0,01-3,28 %), CH4 (0,003-7,35 %), H2 (0,001-0,035 %) и углеводороды с содержанием атомов от 2 до 6 (2,0×10-5-2,8×10-3 %). Состав по содержанию N2, O2 близок к атмосферному воздуху. Отмечены большие вариации газонасыщенности (1,1-21,1 %), а также содержаний CH4 и CO2. При формировании льда происходило промерзание газонасыщенного раствора, часть воздуха присутствовала в свободной форме (от 30 до 75 % от объема газа). Рассчитанные показатели CH4/(C2H6+C3H8) и C2H6/C2H4 указывают на биогенный генезис углеводородов. Состав газовых пузырьков пересчитан на объем всей пробы: в повторно-жильных, термокарстово-полостных и наледном льдах содержание CH4 незначительно (в среднем 51, 81 и 1 ppmV соответственно). Незначительные количества CH4 могли поступать при формировании этих типов льда из отложений деятельного слоя, так как установлена зависимость газового состава от количества включений торфа. В пробах с включениями торфа повышены содержания CH4, CO2 и H2. В пластовых льдах повышено содержание CH4 (216 ppmV). В текстурообразующих льдах накапливался CO2 (до 3007 ppmV), а в клиновидных льдах обнаружены высокие содержания CH4 (до 4032 ppmV), так как льды промерзали в замкнутом объеме. Лед торфяного бугра пучения имеет максимальное содержание CH4 (15545 ppmV) и высокое CO2 (2466 ppmV), источником которых были вмещающие отложения, заливаемые прибрежно-морскими водами. В подземных льдах определены культивируемые психрофильные микроорганизмы, их максимальные количества выявлены в сегрегационных пластовых - до 1680 КОЕ/мл, в текстурообразующих льдах - до 1032 КОЕ/мл. Высокие концентрации парниковых газов в мерзлом торфе - CO2 (1075 ppmV), H2 (9 ppmV), CH4 (262 ppmV) и других углеводородов обусловлены активной деятельностью микроорганизмов, что приводит к накоплению этих газов. Значительная газонасыщенность и высокие содержания CH4 и CO2 указывают на формирование газового состава под воздействием как аэробных, так и анаэробных микроорганизмов

Relevance. The increase in the concentration of greenhouse gases in the atmosphere is a fundamental problem on a planetary scale. The source of greenhouse gases in the subsurface horizon of soil can be both deep deposits of hydrocarbons and organic matter processed by microorganisms during the thawing of the ice-rich soil. To determine the source of gas it is necessary to examine both its quantity and composition and microorganism content in the subsurface ice. Taking into account the dynamic development of the energy complex in the north of Western Siberia it is necessary to take into account the geotechnical risks associated with the release of greenhouse gases from frozen deposits. Purpose: to study the composition and identify the sources of greenhouse gases in the ice and the ice-rich soil on account of the ice formation conditions and the microorganism content. Objects: ice wedge, hydrogenic and segregational genesis of ice, ice-rich soil of northern Western Siberia and Central Yakutia, collected by expeditions Earth Cryosphere Institute, Tyumen scientific center SB RAS in 2011-2021. Methods of research and interpretation of chemical composition. The structure of frozen deposits has been investigated by cryolitological methods. The monoliths of the ice and the frozen deposits were stored at -18 °C. Gas was extracted from the monoliths with the determination of volume fraction by thermovacuum degassing method. The composition of gases is determined by gas chromatography. Normalization of the gas composition with solubility values in water was carried out. Volume fractions of gas in free and dissolved forms was calculated. The data processing were implemented by means of «Geochem Anomaly» program. Cultivated psychrophilic microorganisms were studied by seeding on nutrient media; the total number of microorganisms was determined by epifluorescent microscopy. Results. The contents of N2 (74,9-87,8 %), O2 (11,7-20,3 %), CO2 (0,01-3,28 %), CH4 (0,003-7, 35 %), H2 (0,001-0,035 %) and hydrocarbons with an atom content from 2 to 6 (2,0×10-5-2,8×10-3 %) are determined in ice and ice-rich soil. The value of N2 and O2 in the gas composition of ice is close to atmospheric air. The ice has wide variations in gas saturation (1,1-21,1 %), CH4 and CO2 content. The freezing of gas-saturated solution occurred for the ice formation, part of the air was in a free form (from 30 to 75 %). Calculated indexes CH4/(C2H6+C3H8) and C2H6/C2H4 indicate biogenic hydrocarbon genesis. The composition of gas bubbles is recalculated for the volume of the entire sample: CH4 content is insignificant in ice wedge, closed-cavity ice and icing (averages 51, 81 and 1 ppmV, respectively). Low amounts of CH4 could be produced by forming these types of ice from the sediments of the active layer, as the dependence of the gas composition on the peat element amount is established. CH4, CO2 and H2 contents increased in samples with peat elements. In interbedding ice the CH4 content is high (216 ppmV). CO2 (up to 3007 ppmV) was accumulated in the texturing ice, and hydrogenic wedge-shaped ice showed high levels of CH4 (up to 4032 ppmV) as the ice was frozen in an enclosed volume. The ice of peat mound has a maximum content of CH4 (15545 ppmV) and high CO2 (2466 ppmV); inclosing sediments flooded with marginal-marine waters are the source of high values of CH4 and CO2. The cultivated psychrophilic microorganisms were identified in the surface ice, and their maximum quantities were identified in segregated formations - up to 1680 KOU/ml, in textural ice - up to 1032 KOU/ml. High concentrations of greenhouse gases are found in frozen peat - CO2 (1075 ppmV), H2 (9 ppmV), CH4 (262 ppmV) and other hydrocarbons due to activity of microorganisms, which results in accumulation of these gases. High gas saturation and CH4 and CO2 levels indicate the formation of gaseous composition by both aerobic and anaerobic microorganisms