Arkties atšilimas gali sukelti senojo metano išmetimą

Arkties atšilimas gali sukelti senojo metano išmetimą

Pavel Serov,
Norvegijos Arkties universitetas Tromse, baigęs Sankt Peterburgo universiteto geologijos departamentą
"Kommersant Science" №6, 2017 m. Rugsėjo mėn

Metano hidratai atrodo kaip suslėgtas sniegas. Kai tik slėgis sumažėja ir temperatūra pakyla, jie suskaidomi į degią metaną ir vandenį. Foto: Pavelas Serovas

Tadžemio likučiai paliko didžiulius metano įkrovimus kaip hidratus po Arkties dugnu. Norvegijos Arkties universiteto, apimančio rusų kalbą, Archetinių dujų hidratų, aplinkos ir klimato tyrimo centro mokslininkų grupė toliau tobulino šių senovinių struktūrų tyrimą.

Mokslininkai ir toliau atranda naujus ir naujus Arkties regiono žemyno kraštus, kuriuose vandens sluoksnyje išsiskiria metano burbuliukai. Dujų kilmė ir geologiniai procesai, reguliuojantys jo išleidimą, lieka neaiškūs. Vienas iš metano šaltinių, patenkančių į Arkties baseino dugną, gali paskatinti dujų hidratus.

Metano hidratai atrodo kaip suslėgtas sniegas, nors jie turi ir kristalinę struktūrą, kur metano molekulė yra uždėta viduje "grotelių", pagaminto iš vandens molekulių.Tinkleliai yra stabilūs esant aukštam slėgiui ir žemai temperatūrai (tik tokios sąlygos vyrauja daugelyje žemyninės maržos) ir suskaidomos, kai termobarinės sąlygos nebeatitinka šių kriterijų. Geologinės sekcijos intervale, kurioje temperatūra yra pakankamai maža ir slėgis yra pakankamai didelis, kad susidarytų ir palaikytų dujų hidratus, vadinama stabilumo zona. Ir jei dalis geologinės sekcijos išeina iš stabilumo zonos, hidratai pradeda suskaidyti, išleidžiant reikšmingą metano kiekį (1 cm3 dujų hidratas yra 160 cm3 metanas dujų formoje). Taigi, dujų hidratai gali būti veiksmingas metano kondensatorius ir jo galingas šaltinis, priklausomai nuo jūros dugno temperatūros ir slėgio.

Metanas yra šiltnamio efektą sukeliančios dujos, jos įnašas į bendrą šiltnamio efektą yra apskaičiuojamas 4-9 proc., O tai yra antras tik anglies dioksido ir vandens garams.

Tyrimai [Graves ir kt., 2015; Myhre ir kt., 2016; Steinle ir kt., 2015 m.] Rodo, kad tik nereikšminga metano dalis, palaipsniui išsivystanti nuo jūros dugno į vandens storymę, normaliomis sąlygomis pasiekia atmosferą. Metanas yra tirpus ir aktyviai oksiduojamas dugno nuosėdose ir vandenyje.Tačiau jei neįprastai greitai išleidžiamas didelis dujų kiekis, gali būti, kad didelė jo dalis, neturinti laiko susilpninti, sugebės įveikti vandens storymę ir pasiekti atmosferą.

Skirtingai nuo laipsniško metano išleidimo į dugną (sipov), išmetamieji teršalai yra labai sunku stebėti – jie atsiranda atsitiktinai. Gali būti, kad metano išmetimas jūros dugne formuoja specifines struktūras, ty ištirti, kada ir kokiomis sąlygomis išmetamas teršalų kiekis. Suprasti tokių reiškinių laiką ir mastą yra labai svarbu įvertinti jų indėlį į ankstesnes ir būsimas klimato kaitą.

Tromso mieste Arktikaus universiteto Norvegijoje (UiT) tyrinėjęs Arktinių dujų hidratus, aplinką ir klimatą (CAGE) atrado ir ištyrė du Barenco jūros rajonus, kur per pastaruosius 35 tūkstančius metų geologinė istorija sukėlė didelį metano išmetimą, kuris pakeitė jūros dugną.

Craters Bjerneurenna lovoje

Pav. 1. Kateriai Bjerneurenna lovio apačioje. Studijų zonų vieta (a), dugno reljefas pagal daugiakampį echo skaitytuvą (b)

320-340 m gylyje jūros dugnas yra išmargintas milžiniškais krateriais (virš 100), skersmuo 1 km ir gylis 30 m (1 pav.).Daugybė šlakių metano srautų kyla iš kraterių ir aplinkinio dugno (2 pav.). Apie 3D seisminius duomenis galima nustatyti gedimų sistemą, leidžiančią išvystyti dujas. Craters yra unikalios struktūros ir dar nėra paaiškintos. Taip pat svarbu, kad jie būtų sukurti kietosiose nelygybėse, kurios labai skiriasi nuo įprasto minkšto, silpno jūros dugno.

Pav. 2 Burbulų dujų nuosėdos (dujų degikliai) ir įleidimo gedimų sistema Bjørno-Rein lovoje

Prieš 24 tūkst. Metų šiuolaikinė Barenco jūra buvo padengta nuosekliu ledo sluoksniu. Barenco jūros ledo sluoksnis buvo nuolat judantis, panašus į šiuolaikinius ledynus. Kadangi ledas persikėlė iš centrinės Barenco jūrų lentynos dalies į periferiją, įšalę uolos, esančios ledyno pakraštyje, atlaisvino laisvą nuosėdų dangą, atskleidžiant patvaresnes Triaso pamatines uolienų nuosėdines uolienas. Tai yra šios uolos, kurios lokaliai yra padengtos plonu (iki 0,5 m) jūrinių nuosėdų sluoksniu, nusodintą po ledynų tirpimo ir sudaro esamą jūros dugną.

Per paskutinį ledyną, esant ledyno slėgiui ir žemai temperatūrai jo pėdai į pagrindines akmenis, gali susidaryti dujų hidratų stabilumo zona.Tolesnis Barenco jūros ledyno tirpimas pašalino didelį jūros dugno spaudimą ir gali sukelti didelį hidratų skilimą. Kyla klausimas, ar krautuvai nėra pasekmės visiškai arba dalinai anksčiau susidariusių ir išsaugotų dujos hidratų po ledų danga.

Barenco jūros ledyno tirpimas pašalino didelį jūros dugno spaudimą ir gali sukelti didelį hidratų skilimą.

Ledo dangos ir dujų hidratų modeliavimas

Norint atsakyti į šį klausimą, būtina suprasti, kiek laiko ledas padengė lentyną, koks jo storis, dugno temperatūra, kaip po gaivinimo pasikeitė jūros gylis ir temperatūra. Tada reikia apskaičiuoti dujų telkinių stabilumo zonos storio pokyčius per 35 tūkstančius metų, o tai tiesiogiai priklauso nuo pirmiau minėtų parametrų. Norėdami tai padaryti, mes sujungėme du skaitmeninius modelius – ledynų evoliucijos modelį [Patton ir kt., 2017], pagrįstą lauko duomenimis apie žemės plutos izostatinę deformaciją ir paleoclimatikos duomenis bei dujų hidrato stabilumo zonos modelį, paremtą Gibso nemokamos energijos skaičiavimu.

Skaičiavimai parodė, kad ledynas, kurio storis iki 2 km, apėmė Bjørno-Reine dugną, pradedant nuo maždaug nuo 30 tūkst. Iki 16 tūkstančių metų. Tai tikrai sukūrė iki 440 m talpos dujų hidratų stabilumo zoną (3a pav.). Ledo danga toje vietovėje, kurioje krateriai yra, išnyko apie 16 tūkstančių metų, o tai rodo staigų perėjimą prie jūros sąlygų, kai dugne yra aukštesnė temperatūra ir mažiau vandens sluoksnio slėgis, vos 300 m. Termobarinių sąlygų pasikeitimas lėmė degradaciją dujų hidratų stabilumo zonoje dėl laipsniško jo apatinės ribos padidinimo. Dujos, išsiskiriančios po stabilumo zona, kaupiasi po nulukštengančiu dujų hidratų sluoksniu. Metanas gali iš dalies įsiskverbti į likusią stabilumo zoną, paduodant hidrato susidarymą šalia paviršiaus sluoksniuose. Taigi, šalia viršutinės stabilumo zonos ribos, hidratų kiekis padidėjo dėl metano, išsiskiriančio jų skaidymo metu gylyje. Tūris padidėja dėl naujų hidratų susidarymo ir laisvųjų dujų slėgio, kaupiamo po hidratacijos sluoksniu, gali sukelti jūros dugno išsiplėtimą ir susidaryti dujų hidrato pingo kalnus, kuriuos sudaro nuosėdos su dideliu kiekiu dujų hidrato [Paull ir kt., 2007; Serie ir kt., 2012 m.].Pasiekus kritinį lygį, dujų slėgis pagal nuolat mažėjančią dujų hidrato padangą gali sukelti spragą į viršutines struktūras ir didelį metano išsiskyrimą (3d ir 3d pav.). Sunaikintos dugno uolos buvo iškraipytos dugno srovių įtaka ir išdėstytos modernios kraterių kontūrai.

Pav. 3 Povandeninių kraterių formavimo modelis: a – ledo dangos storio ir dujų hidratų stabilumo zonos pokyčiai; b – dujų hidratų susidarymas po ledynu; į – dujų hidrato pingo augimas jūrų sąlygomis; g – paviršinių sluoksnių, esančių neįprastai aukšto rezervuaro slėgio, proveržius; d – likutinė metano išmetimas

Mūsų konceptualusis craterinio formavimo modelis galėjo įvykti santykinai siaurame laiko tarpsnyje – prieš 16 tūkst. Metų atsisakius ledo dangos ir žymiai sumažinti dujų hidratų stabilumo zoną prieš 11 tūkst. Metų (3 pav.). Ledo marių pėdsakų buvimas krateriuose, kurie nutraukė atogrąžų ledo sluoksnį prieš 15 000-11 600 metų (Andreassen ir kt., 2014 m.), Patvirtina mūsų laiko prognozes.

Dujų hidratas "Pingo" Sturfjordrenna krante

400 km į šiaurės vakarus gylyje apie 380 m, radome grupę struktūrų, kurios iš pirmo žvilgsnio visai nėra susijusios su krateriais. Konkrečios jūros dugno kalvos, kurių karūnuotas išskirtinai intensyviais metano burbuliukais, buvo prisotintas dujų hidratais (4 pav.). Įdomu tai, kad nepavyko rasti dujų hidratų aplinkinio dugno nuosėdose, išimtinai kalvose. Kalnai, pasiekę 500 m skersmens ir 10 m aukščio (4 pav.), Yra neabejotinai dujų hidratai, panašūs į tuos, kurie tikriausiai buvo prieš kraterių susidarymą Bjørno-Röne lovoje.

Pav. 4 Dujų hidratuotos pūslelės Sturfjordrenna kiauryme. Iš kairės į dešinę: dujų hidrato mėginys; pingo 2 ir švelnus metano srautai (dujų degikliai) pagal daugiakampį echo garsinį signalą; centrinis dujų hidrato pingo skirstinys ir dujų migracijos kelias per dugno nuosėdas ir vandens storymę. Dotacijos skirtingomis spalvomis ištirpusio metano koncentracijos parodomos įvairiuose vandens stulpo horizontuose; Pingo 5 ir dujų degikliai; metano dujų apačioje

Dvigubo ledo sluoksnio evoliucijos modelio ir dujų hidratų stabilumo zonos taikymas,mes nustatėme, kad, kaip ir krateriai, teritorija, kurioje dabar yra "Pingo", per paskutinį ledyninį didžiausią leliją viršijo ledynas (5 pav.). Ši Sturfjordrenny dalis prarado savo ledo dangą prieš 21 tūkst. Metų, po kurio relikvinė hidratų stabilumo zona buvo apie 6 tūkstančius metų. Mes manome, kad dujų hidrato sluoksnio evoliucija pagal Bjørnoyrenna nurodytą scenarijų lėmė Sturfjörðreno dujų hidrato pingų susidarymą.

Pav. 5 Ledinio dangalo storio pokyčiai ir Sturfjörðreno dujų hidratų stabilumo zona paskutinio ledyninio ciklo metu

Taigi mes nustatėme esamus aktyvius dujų hidrato pingus, panašius į tuos, kurie, mūsų manymu, prieš Bjørnoirenna kraterius. Pagrindinė priežastis, kodėl Pingo dar nesunažėjo, yra didelis jūros gylis (380 m Sturfjørden ir tik 330 m Bjørno-Rein), kuris slopino hidratų skilimą visame ledynmečiui. Be to, periodiškai mažinant Sturfjörrenn dugno vandens temperatūrą atsirado hidrato stabilumo zona po ledynmečio (5 pav.).Pingo hidratai dabar yra stabilūs. Be to, šiandien pastebėti pingiai yra plotuose, kuriuose yra didesnis plastinių deformacijų laisvųjų nuosėdų storis. Kita vertus, krateriai randami kietosiose uolienose, kurie yra itin jautrūs trapiai deformacijai ir įtrūkimui. Tikriausiai dėl fiziografinių ir litologinių sąlygų skirtumų paaiškėjo, kad "Sturfjörðrn" metano sistema yra ankstesniame "pingo" etape, o Bjerneurne jau "pingo" sugriuvo ir suformavo kraterius.

Dėl ledo dangtelių atsitraukimo dramatiški temperatūros ir slėgio pokyčiai gali sukelti didelį ir netikėtą metano išmetimą.

Mūsų tyrimai yra svarbus žingsnis siekiant suprasti išsaugojimo procesus ir metano išmetimą, kurį kontroliuoja ledynai. Dėl ledo dangtelių atsitraukimo dramatiški temperatūros ir slėgio pokyčiai gali sukelti didelį ir netikėtą metano išmetimą. Daugelis Arkties lentynos buvo padengtos ledynais ir jų sudėtyje yra daug angliavandenilių (įskaitant metaną) – jų įnašas į atmosferos šiltnamio efektą sukeliančių dujų biudžetą gali būti nepakankamai įvertintas.Mūsų pasiūlytas scenarijus gali būti svarbus, nes Grenlandija ir Antarktidoje nuolatos nuolatos mažėja.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: