КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-77-30001

НазваниеПотоки и генезис органического вещества в системе суша-шельф в Российской Арктике: климатическая роль деградации мерзлоты

РуководительСемилетов Игорь Петрович, Доктор географических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, Приморский край

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-513 - Морская геология, литология, сейсмостратиграфия и геохимия донных отложений

Ключевые словаосадконакопление, потоки углерода, углеводородный потенциал, метан, подводная мерзлота, Арктика, шельф, климат, мобилизация древнего углерода

Код ГРНТИ38.33.17


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Данный проект направлен на выявление характерных особенностей осадконакопления, а именно: 1) количественную оценке потока терригенного ОВ в системе суша-шельф в настоящем и прошлом, 2) оценку вклада ОВ наземного и морского генезиса, 3) оценку УВ потенциала ОВ. Особое внимание будет уделено выявлению особенностей вклада ОВ речного и эрозионного происхождения вследствие вовлечения гигантского пула ОВ деградирующей мерзлоты (наземной и подводной) в процессы осадконакопления и биогеохимический режим МРА в настоящем и прошлом. В контексте уточнения климатической роли УВ потенциала осадков МРА и выявления относительного вклада современного метаноообразования - окисления из ОВ деградирующей подводной мерзлоты относительно вклада глубинных источников (гидраты, термогенный и абиогенный метан) важное место в проекте займет выявление положения кровли подводной мерзлоты в районах исследований по авторской методике, изложенной в Nature Communications (Shakhova, Semiletov et al., 2017). Исследования будут проводиться во всех морях Российской Арктики с фокусом в МВА, и восточной части Карского моря (включая прибрежную зону полуострова Ямал, и Обскую губу), в которых находится более 80% подводной мерзлоты шельфа всего СЛО (ACIA, 2004). Район исследований характеризуется обширной площадью (>3.0 млн. км2 - около 50% площади всего шельфа СЛО), мощной осадочной толщей, содержащей «супер-пул» УВ (Gramberg et al., 1983; Gautier et al., 2009), а также разнообразием морфологических и геологических условий. Для понимания механизма разгрузки метана из осадков будет выполнена оценка уровня сейсмической опасности, связанной с геологическими, литодинамическими и геокриологическими процессами путем регистрации слабых сейсмических событий, источниками которых могут быть микроземлетрясения, взрывы, оползни, провалы (проседания/подвижки дна), выбросы газа (Krylov et al., 2019; Лобковский, 2020) Особое внимание будет уделено изучению: 1) транспорта и трансформации наземного ОВ, поступающего в район исследований в результате эрозии берегового ледового комплекса и с речным стоком, что необходимо для понимания оценки фракции наземного ОВ, которая минерализуется в аэробных условиях в водной толще и поверхностных осадках, 2) качества ОВ и этапов его трансформации в ходе диагенеза, катагенеза и метаморфизма. Конечным продуктом этого исследования станет количественная оценка УВ потенциала донных отложений, в первую очередь - метанового (СН4) потенциала, а именно количества СН4, которое 1) может образоваться в результате вовлечения древнего ОВ деградирующей мерзлоты в современный биогеохимический цикл, и 2) уже накоплено в донных осадках арктических морей в масштабе геологических времен (со времени образования мерзлоты), поскольку считается, что наличие газонепроницаемой мерзлоты предотвращает потери газовых компонентов накопленного пула УВ. Это значит, что утрата сплошности ПМ приведет к формированию газо-проводящих путей, мощность которых будет расти, соответственно будет расти и эмиссия газа из донных источников, суммарная мощность которой не может превышать размеров накопленного УВ донных осадков. Отправной гипотезой этого направления исследования будет предположение о том, что максимально возможная продукция СН4 из 1 г ОВ не может превышать 0.45 г метана (Kaplan et al., 1978). Для понимания миграционной способности биогенного СН4 в системе осадки-водная толща будет проведен комплекс микробиологических исследований под руководством Н. Пименова. Впервые будет протестирована гипотеза о роли микробиального метаногенеза в качестве источника метана в арктических морях. Ранее было показано, что в качестве субстрата для микробного метаногенеза в процессе диагенеза может использоваться только водо-растворимая фракция ОВ (ВРОВ), которая составляет 0.1-1% от общего исходного терригенного ОВ (Wagner et al., 2005). Поскольку ОВ наземного происхождения до поступления на шельф проходит стадию диагенетических трансформаций, логично предположить, что значительная доля ВРОВ будет израсходована, что делает ОВ поверхностных осадков трудно-усвояемым для метаногенов. Оставшаяся часть ОВ, точнее его щелочно-растворимая фракция, преобразовывается в метан и другие УВ компоненты в процессе катагенеза и метаморфизма (Kaplan et al., 1978). В рамках проекта планируется изучить молекулярный состав каждой из фракций и выявить метаболические взаимосвязи между молекулярным составом экстрактов ОВ в растворенной форме и гуминовых веществ донных отложений по характеру их расположения на векторах конденсации, окисления, и диметилирования (Kim et al., 2003). Для оценки генерационного качества ОВ и уровня его термической зрелости будет использован пиролитический метод, дополненный детальными геохимическими исследованиями, принятыми в исследованиях УВ потенциала нефтегазовых месторождений. Детальное описание подходов и методов приведено в авторской работе (Гринько и др., 2020) и в разделе 4.7. Полученное в ходе настоящего исследования новое знание о закономерностях трансформации ОВ в характерных районах обширного шельфа МВА и прилежащей части Карского моря позволит развить модель деградации ПМ в контексте прогнозирования вовлечения ОВ и УВ пула осадочной толщи в современный биогеохимический цикл. Данная модель модифицируется авторским коллективом (совместно с группой, основанной проф. Н.Н. Романовским в 1990х) начиная с конца 1990х - 2000х годов (Типенко и др., 1998; Романовский и др., 2005; Tumskoy et al., 2002; Nicolsky and Shakhova, 2010; Nicolsky et al., 2012; Romanovskii et al., 2000; Shakhova et al., 2009, 2014, 2015). Существующий алгоритм расчетов будет модифицирован за счет включения эффектов солевой диффузии (соли поровой воды и солевые рассолы), теплового эффекта стока речных и грунтовых вод (Chuvilin et al., 2019ab; Shakhova et al., 2014, 2019; Frederick and Buffett, 2015, 2016; Charkin et al., 2017), а также за счет включения новых данных о характерных особенностях осадконакопления и о геологической структуре шельфа арктических морей в контексте формирования газовыводящих путей в осадочной толще. Отметим, что имеется договоренность о безвозмездном сотрудничестве в развитии модели деградации ПМ и дестабилизации гидратов с компьютерной группой Д. Фредерик из Университета Беркли-Калифорния (Frederick and Buffet, 2014; 2015, 2016, 2017) и специалистом в области моделирования ПМ проф. Д. Никольским из Университета Аляска Фэрбанкс. Впервые на основе данных наблюдений и моделирования будет выполнена оценка теплового эффекта грунтовых вод на ПМ, а также их роли в контексте переноса на шельф СН4 и двуокиси углерода, синтезированных на суше. Для достижения заявленной цели впервые будут решены следующие задачи: 1) Разделить вклад различных источников в современные потоки СН4 (биогенный, термогенный, абиогенный) на основе анализа изотопной формулы СН4 (13С, dD и 14C), отобранного в районе исследований и последующего моделирования методом Монте-Карло возможных вкладов на основе экспериментально полученных первичных формул (end-member signature); 2) Получить количественные параметры качества ОВ, накопленного на шельфе МВА и прилежащей части Карского моря, для оценки эффективности метаногенеза на разных этапах трансформации ОВ (диагенез, катагенез, метаморфизм). 3) Получить количественные оценки современной биогенной продукции метана в характерных типах донных осадков МВА и прилежащей части Карского моря и изотопную формулу современного метана (современный биогенный метан); 4) Оценить вклад геологического метана (термогенный, метаморфогенный, магматогенный) и путей его миграции в МВА и прилежащей части Карского моря; 5) Оценить роль грунтовых вод как дополнительного фактора, оказывающего отепляющее влияние на ПМ, и транспортного средства для СН4 и других УВ; 6) Оптимизировать и реализовать алгоритм модели современного состояние подводной мерзлоты с учетом новых данных полученных в проекте (экспериментальные, геофизические и геологические); 7) Моделировать и прогнозировать климатическую роль МВА в результате деградации подводной мерзлоты в настоящем и будущем; 8) Выявить и оценить экологические, геоинженерные и экономические последствия мобилизации ОВ и УВ запасов в МВА и другие моря Российской Арктики. Методологический подход данного исследования будет основан на многоуровневом и многокомпонентном анализе комплекса органо-геохимических, биогеохимических, изотопных, микробиологических, геологических и геофизических данных, которые будут интерпретированы и использованы для тестирования и оптимизации целого ряда моделей, взаимоувязанных в единый модельный комплекс. Координация и реализация всех заявленных направлений исследования будет выполняться руководителем проекта в тесном сотрудничестве с ключевыми участниками Л.И. Лобковским, Н.В. Пименовым, Н.Е. Шаховой, и стратегическими партнерами -группами Е.А. Романкевича (ИОРАН) и И.В. Перминовой (МГУ). Реализация данного методического подхода впервые призвана оценить современную и будущую роль арктических морей в региональном и глобальном цикле углерода в контексте выявления потенциала роста эмиссии парниковых газов из арктических морей, что крайне важно для понимания и оценки природной положительной обратной связи между потеплением климата, деградацией подводной и прибрежной мерзлоты, включением в современный цикл древнего углерода мерзлоты, что приводит к усилению эмиссии парниковых газов в атмосферу. Гарантией успешного выполнения проекта является признанная мировая роль авторского коллектива в заявленном направлении, что подтверждается публикациями в Science (1997, 2010), Nature (2012), Nature Geosciences (2014, 2016), Nature Communications (2016, 2017, 2018), Science Advances (2019, 2020-in press), Scientific Reports (2019), и более 200 публикаций в Web of Science за время авторских исследований в Российской Арктике (начиная с 1990х).

Ожидаемые результаты
Конечным продуктом этого исследования станет количественная оценка: 1) потока и трансформации терригенного ОВ в арктической системе суша-шельф в МРА, 2) вклада ОВ различного генезиса (наземного - речного и эрозионного, морского) в осадконакопление в МРА в настоящем и прошлом, 3) УВ потенциала, а именно количества метана, которое накоплено в донных осадках арктических морей в масштабе геологических времен (со времени образования мерзлоты), поскольку считается, что наличие газонепроницаемой мерзлоты предотвращает потери газовых компонентов накопленного пула УВ. Впервые на основе комплекса исследования биодоступности ОВ (работы на молекулярном и изотопном уровне) осадков арктических морей России и прямых определений метанообразования и метаноокисления в образцах осадков будет протестирована распространенная гипотеза о роли микробиального метаногенеза в качестве источника метана в арктических морях. Ранее было показано, что в качестве субстрата для микробного метаногенеза в процессе диагенеза может использоваться только водо-растворимая фракция ОВ (ВРОВ), которая составляет 0.1-1% от общего исходного терригенного ОВ (Wagner et al., 2005). Поскольку ОВ наземного происхождения до поступления на шельф проходит стадию диагенетических трансформаций, логично предположить, что значительная доля ВРОВ будет израсходована, что делает ОВ поверхностных осадков трудно-усвояемым для метаногенов. Оставшаяся часть ОВ, точнее его щелочно-растворимая фракция, преобразовывается в метан и другие УВ компоненты в процессе катагенеза и метаморфизма (Kaplan et al., 1978). Генерационные качества ОВ и уровня его термической зрелости будут изучены с помощью пиролитического метода, дополненного детальными геохимическими исследованиями, принятыми в исследованиях УВ потенциала нефтегазовых месторождений. Микробиологическая часть этого исследования будет выполнена группой Н.В. Пименова, в сотрудничестве с группами Н.Е. Шаховой и И.В. Гончарова, Е.А. Романкевича - с использованием аппаратурных возможностей ИОРАН, ТПУ, ОАО «ТомскНИПИнефть» (группа И.В. Гончарова, А. Гринько, Е. Гершелис) - головного аналитического центра Роснефти, и ИО РАН. Впервые будет изучен молекулярный состав фракции ВРОВ и щелочно-растворимой фракции ОВ и будут выявлены метаболические взаимосвязи между молекулярным составом экстрактов ОВ в растворенной форме и гуминовых веществ (ГВ) донных отложений по характеру их расположения на векторах конденсации, окисления и диметилирования (Kim et al., 2003). В результате, впервые будут получены количественные параметры качества ОВ, накопленного на шельфе МВА и прилежащей части Карского моря, для оценки эффективности метаногенеза на разных этапах трансформации ОВ (диагенез, катагенез, метаморфизм). Для оценки вклада арктического шельфа России в резервуар ОВ и УВ потенциал осадочной толщи всех арктических морей будет выполнен ряд совместных исследований со стратегическим партнером авторского коллектива- Стокгольмским университетом (https://news.tpu.ru/news/2018/09/14/33664/), с которым имеется прямая договоренность и договор о долговременном сотрудничестве. Часть исследований связанная с выявлением метаболических взаимосвязей между молекулярным составом экстрактов ОВ в растворенной форме и гуминовых веществ (ГВ) донных отложений по характеру их расположения на векторах конденсации, окисления и диметилирования будет выполнена в рамках сотрудничества с группой проф. И.В. Перминовой (химфак МГУ) в рамках субконтракта заложенного в смету проекта. Впервые будет разделен вклад различных источников в современные потоки метана (биогенный, термогенный, абиогенный) на основе анализа изотопной формулы метана (13С, dD и 14C), отобранного в районе исследований и последующего моделирования методом Монте-Карло возможных вкладов на основе экспериментально полученных первичных формул (end-member signature); Впервые одним методом будут получены детальные количественные оценки современной биогенной продукции и окисления метана в характерных типах донных осадков МВА и прилежащей части Карского моря Впервые будет получена изотопная формула и оценен вклад геологического метана (термогенный, метаморфогенный, магматогенный) и путей его миграции в МВА и прилежащей части Карского моря; Будет оптимизирован и реализован алгоритм модели современного состояния подводной мерзлоты с учетом новых данных, полученных в проекте (экспериментальные, гео-физические и геологические). Особое внимание будет уделено выявлению возможности тестирования гипотезы Сорохтина о возможности абиогенного формирования УВ в результате метаморфической трансформации углерода в рифтовой зоне моря Лаптевых (Сорохтин и др., 2018). Будет оценена роль грунтовых вод как дополнительного фактора, оказывающего отепляющее влияние на подводную мерзлоту, и транспортного средства для метана и других УВ. Впервые будут разработаны совмещенные сценарии прогрессирующей деградации подводной мерзлоты, растущей эмиссии парниковых газов и промоделирован возможный ответ климатической системы в каждом из возможных сценариев. Впервые будут выявлены и оценены (когда это возможно) экологические, геоинженерные и экономические последствия мобилизации УВ запасов в МВА. Впервые будет выявлена и оценена роль микро-сейсмических событий в процессах деградации мерзлоты и усиления выброса метана, включая образования кратеров на Ямале и на прилежащем шельфе. Полученное в ходе настоящего исследования новое знание о закономерностях трансформации ОВ в характерных районах обширного шельфа МВА и прилежащей части Карского моря (включая прибрежную зону полуострова Ямал и Обскую губу) позволит развить усовершенствованную модель деградации подводной мерзлоты. Данная модель модифицируется авторским коллективом (совместно с группой, основанной проф. Н.Н. Романовским в 1990х) начиная с конца 1990х- 2000х годов (Романовский и др., 2005; Nicolsky and Shakhova, 2010; Nicolsky et al., 2012; Romanovskii et al., 2000; Shakhova et al., 2014, 2015). Новая модификация модели будет заключаться в модификации существующего алгоритма за счет включения эффектов солевой диффузии (соли поровой воды и солевые рассолы), теплового эффекта стока речных и грунтовых вод (Shakhova et al., 2014; Frederick and Buffett, 2015, 2016), а также за счет включения новых данных о геологической структуре шельфа арктических морей в контексте формирования газовыводящих путей в осадочной толще. Реализация проекта направлена на формирование научного задела, обеспечивающего не только усиление лидерской роли российских ученых в мировом сообществе в одном из приоритетных направлений Наук о Земле - в области исследования Арктики и Мирового океана, но и на усовершенствование технологических подходов к разведке и добыче УВ ресурсов на арктическом шельфе РФ. Так, например, будут получены результаты для практического применения: 1) новое знание по глубине залегания кровли подводной мерзлоты и ее динамике является критически важным для выбора места установки буровых платформ, и прокладке нефте- и газопроводов, 2) картирование районов мега-сипов с высокими скоростями пузырькового выброса могут быть индикаторами мест, где происходит дестабилизация гидратов, что является важной информацией для обеспечения безопасности разведочного и промыслового бурения (вспомним аварию, произошедшую при бурении в Печорском море, а также недавнюю аварию в Мексиканском заливе, унесшую жизнь людей и принесшую многомиллиардное убытки населению и нефтяной компании), 3) в аномальных районах газо-проявлений с величинами пузырькового переноса до сотен граммов с квадратного метра в сутки (которые будут закартированы в рамках данного проекта) может стать важным эффект отрицательной плавучести, что может привести к залипанию ко дну медленно движущегося подводного объекта, 4) во время выполнения проекта будет собрана ценная информация об экологическом состоянии вод, что важно знать до начала полномасштабной эксплуатации Северного морского пути и интенсивного освоения ресурсов шельфа. Мировой уровень исследования подтверждается публикацией авторским коллективом за последние 5 лет более 70 статей цитируемых Web of Sciences, включая 6 статей в серии журналов Nature (Nature Geosciences (2), Nature Communications (4)).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Стратегия исследований в рамках данного проекта основана на следующей гипотезе: Северный Ледовитый океан, включающий подводную мерзлоту и окруженный деградирующей наземной мерзлотой, служит интегратором изменений, происходящих не только на шельфе, но и в водосборах арктических рек и на побережье. Поскольку обратные связи, определяющие центральную роль Арктики в климатической системе планеты, обусловлены в первую очередь, взаимодействием между гидрологическим циклом и циклом углерода, изучение динамики и взаимосвязи отдельных компонентов этих циклов между собой, является стратегической основой данного исследования. Именно в таком контексте, в 1990х были начаты авторские исследования, направленные на исследовании биогеохимических и возможных климатических последствий в результате мобилизации (“перекачке“) и трансформации древнего углерода в арктической системе суша-шельф-атмосфера: 1) с речным стоком и в результате эрозии берегового ледового комплекса из мерзлоты, деградирующей на суше, 2) в результате массированной разгрузки геофлюида, включая пузырьковый метан, вследствие прогрессирующей деградации подводной мерзлоты. В рамках данного проекта модифицируется и развивается новый методологический подход, основанный на системном анализе комплекса органо-геохимических, биогеохимических, изотопных, микробиологических данных, который дополняется геофизическими и геологическими исследованиями состава и структуры донных отложений, включая состояние подводной мерзлоты. Особое внимание уделяется изучению изменчивости гидрологического режима, с фокусом на характерных циркуляционных особенностях и взаимодействии водных масс, включая речные, халоклинные и атлантические (фрамовская и баренцевоморская ветви) воды. Наиболее достоверные оценки генезиса органического вещества (ОВ) и осадочного материала дает комплексное соотношение генетически разных типов ОВ, с учетом литологических, вещественно-генетических типов донных отложений и структуры дна. Поэтому, в основе работы лежит комплексная интерпретация группового, молекулярного, элементного и изотопного состава ОВ донных осадков в разных географических обстановках – совместно с оценкой вещественно-генетического состава отложений, а также особенностей и факторов формирования литолого-геохимических, криологических и геоморфологических характеристик. Кроме того, большое внимание уделяется экологическим аспектам состояния Северного морского пути, включая исследование: 1) мобилизации, транспорта и трансформации тяжелых металлов в современные биогеохимические циклы вследствие деградации мерзлоты, 2) экстремальной асидификации вод вследствие окисления эрозионного органического углерода и влияния распреснения вод на карбонатное равновесие, 3) микропластика и макропластика - как индикаторов циркуляции водных масс. В первый год были выполнены комплексные исследования по всем заявленным задачам, с внесением некоторых изменений, обусловленных природными факторами, к которым-в первую очередь, относятся аномальные ледовые условия, что привело к невозможности прохода через пролив Вилькицкого в моря Восточной Арктики. Поэтому экспедиционные исследования были выполнены в Карском море, которое в контексте состояния подводной мерзлоты занимает промежуточное положение между морями Восточной Арктики, где находится более 80% всей подводной мерзлоты, и Баренцевым морем, где подводная мерзлота уже деградировала. Для получения новых данных и расширения авторской базы данных (и коллекции донных осадков) основные исследования были направлены на изучение особенностей транспорта и трансформации углерода и пресной воды Великих Сибирских рек Оби и Енисея на шельфе Карского моря, изучению пингоподобных донных структур –предполагаемых предвестников образования кратеров на суше и в море. По маршруту переходов судна осуществлен 3х уровневый непрерывный высокопрецизионный мониторинг атмосферных мольных фракций диоксида углерода, метана и изотопного состава углерода (дискретность измерений 5 минут), выполнены более 900000 измерений содержания растворенного метана (экстракция методом динамического парофазного анализа) в поверхностной воде. На разрезах и полигонах в эстуарных областях и участках распространения пингоподобных морфоскульптур на внутреннем и среднем шельфе Карского моря проведены электроразведочное и гидромагнитное зондирование дна с целью определения распространения, условий залегания и мощности многолетнемерзлых пород, идентификации таликовых зон. Для выявления связей между местами массированной разгрузки пузырькового метана и сейсмотектонической активностью был выполнен анализ 2х-летних записей донных сейсмографов, установленных в море Лаптевых в период (2018-2020 гг.), и в рамках проекта осенью 2021 г. было установлено 5 новых донных станций в ключевых районах Карского моря в рамках АМК 86 (рис. 5). Первые результаты, полученные в море Лаптевых, свидетельствуют об обнаружении множественных микроземлятрясений в некоторых районах, который ранее считались фоновыми в контексте сейсмотектонической активности. Этот предварительный результат может привести к существенному пересмотру подходов к моделированию стабильности гидратов и темпов деградации подводной мерзлоты снизу-вверх, что крайне важно для понимания и предсказания потоков пузырькового метана в ближайшем будущем (Krylov et al., Sensors, 2021). Более того, это направление работ развивается в более масштабном контексте - путем сравнения влияния сейсмотектонических факторов в районе моря Лаптевых и в Охотском море, в районах границы между Евро-Азиатской и Северо-Американской мега-плитами, с данными многолетних наблюдений за пузырьковой разгрузкой метана (Черных и др., Бюлл. ТПУ, 2021). Пробы, отобранные в авторских арктических экспедициях на НИС Академик М. Келдыш в 2021 и 2020 гг., стали основой для последующего комплексного молекулярного и изотопного анализа растворенного и взвешенного ОВ, а также ОВ донных осадков - для прослеживания транспорта и трансформации ОВ наземного происхождения и выявления его биогеохимической роли на арктическом шельфе, включая процессы осадконакопления и диагенеза. На основании полученных новых данных РОВ, устьевая область реки Оби характеризуется высоким вкладом ароматических соединений, а именно, гидролизуемых и конденсированных таннинов, а также фенилизопропаноидов (лигнинов). В то время как РОВ дельты реки Лена характеризуется высоким содержанием более насыщенных компонентов, а именно, терпеноидов и насыщенных лигноподобных компонентов. Данные различия молекулярного состава РОВ могут указывать на гораздо более высокий вклад ОВ, высвобождаемого (мобилизованного) в результате таяния многолетнемерзлых пород, в составе реки Лены по сравнению с рекой Обь (Chreptugova et al., paper in preparation). Кроме того, методически обосновано применение насыпного сорбента Bondesil PPL для извлечения РОВ в препаративных количествах (Perminova, Khreptugova et al., Water, submitted). Наиболее достоверные оценки генезиса ОВ и осадочного материала дает комплексное соотношение генетически разных типов ОВ, с учетом литологических, вещественно-генетических типов донных отложений и структуры дна. Поэтому, руководителем проекта совместно с проф. О. Густафссоном, академиком шведской Королевской Академии наук, в начале 2000х (Semiletov and Gustafsson, EOS, 2009) было начато формирование совместной базы данных, в основе которой лежит комплексная интерпретация группового, молекулярного, элементного и изотопного состава ОВ донных осадков в разных географических обстановках – совместно с оценкой вещественно-генетического состава отложений, а также особенностей и факторов формирования литолого-геохимических, криологических и геоморфологических характеристик. В рамках данного проекта в журнале Earth Syst. Science Data (Martens, Romankevich, Semiletov et al., 2021) была опубликована первая версия базы данных CASCADE (Circum-Arctic Sediment Carbon DatabasE). Для оценки экспорта наземного ОВ и выявления его роли в процессах седиментации и биогеохимических циклах на арктическом шельфе были собраны данные по содержанию ОВ в поверхностных осадках с 4244 океанологических станций, 2313 станций с данными по содержанию общего азота (T/N), а также ряд молекулярных и изотопных параметров ОВ, включая биомаркеры (C/N ratios, δ13C, Δ14C and plant biomarkers i.e. long chained n-alkanoic acids and n-alkanes, lignin phenols). Эти данные дают научно-обоснованную платформу для изучения генезиса, роли транспорта и трансформации ОВ мобилизованного из деградирующей мерзлоты на весь арктический шельф. Роль биогенной современной продукции метана из ОВ, мобилизованного из подводной мерзлоты моря Лаптевых, и для сравнения – Карского моря (предположительно островная мерзлота) и Баренцева моря (подводная мерзлота отсутствует) изучается участниками проекта (группа Н. В. Пименова) из ФИЦ Биотехнологии. Первые результаты опубликованы в журнале Microorganisms (Begmatov, Pimenov, Ravin.), 2021. Наряду с процессами метаногенеза, в отобранных участниками проекта пробах, радиоизотопными и молекулярно-биологическими методам изучаются процессы окисления метана, как в аэробной водной толщи, так и в восстановленных осадочных отложениях. Установлена связь оптических характеристик и состава РОВ с концентрациями растворенного СО2 в главном русле р. Лены (Пипко и др., ДАН, 2021). Показано, что оптические параметры вод являются полезным инструментом для понимания динамики и качества речного РОВ, а также его взаимосвязи с потоками СО2 в арктических реках. Интенсивность потоков СО2 в атмосферу (FCO2) изменялась от 0.8 до 137.9 ммоль м-2 сутки-1 при среднем значении 31.3 ммоль м-2 сутки-1. В результате в июле 2017 г. с исследуемой части реки (1628 км русла при средней ширине 2 км) в атмосферу поступило порядка 3.8  104 т С в форме СО2, что лишь на порядок ниже среднемесячного выноса водами реки растворенного органического и неорганического углерода, рассчитанного для замыкающего створа (4.8  105 т С и 7.8  105 т С соответственно). Полученные средние значения FCO2 оказались сопоставимы с величинами потоков в системе вода-атмосфера в период летней межени в главном русле другой «мерзлотной» реки – Колымы и более чем в три раза ниже средних потоков, рассчитанных для вод р. Оби в летний сезон 2016 г. (102.1 ммоль м-2 сутки-1, авторские данные). Такое различие в величинах FCO2 определялось более высокой степенью пересыщения вод Оби СО2, обусловленной, в первую очередь, состоянием многолетнемерзлых пород в бассейне реки. Особое внимание было уделено выявлению экологических эффектов, обусловленных связями между транспортом и трансформацией наземного ОВ и мобилизацией тяжелых металлов в современные биогеохимические циклы в результате деградации мерзлоты в водосборах сибирских рек. Для выявления особенностей роли потоков ОВ различного генезиса в системе река Лена-море Лаптевых, в контексте выноса общей ртути (HgT) и метил-ртути (MeHg) были выполнены исследования вдоль 330 км трансекта, приведенного на фоне концентраций ОВ в поверхностных осадках. Первые результаты в этом направлении, полученные в рамках проекта, были опубликованы в совместной со шведскими партнерами статье в Marine Chemistry. Показано, что основная часть HgT и MeHg, экспортируемого со стоком реки Лены выпадает в прибрежной зоне, что ассоциируется с осаждением ОВ. Однако, при дистальном удалении от берега величина HgT изменяется в узком диапазоне концентраций, в отличии от скачкообразного уменьшения концентраций MeHg, что может свидетельствовать о большей подверженности к гидродинамической сортировке речного материала после выноса в море. Отметим, что в этой работе, распределение ОВ в донных осадках построено на основе авторской базы данных, которая вошла в совместную статью с Martens et al., 2021. Предполагается, что ртутное загрязнение вследствие деградации мерзлоты может играть важную роль в загрязнении биоты на всех трофических уровнях – от бентосных организмов к высшим. Поэтому крайне важно рассматривать перенос углерода в различных формах (потоки ОВ растворенного и взвешенного) совместно с биологическими исследованием. Поэтому, на всех комплексных станциях отобраны репрезентативные пробы, в которых в ближайшее время будут изучены характеристики первичного продуцирования экосистемы Карского моря, включая сообщества фито-и зоопланктона и бентоса. По результатам первого года опубликовано 12 статей, 7 из которых в Q1 (Marine Chemistry, Ocean Science, Earth System Science Data, Frontiers in Marine Science, Water, Marine Pollution Bulletin, International Journal of Greenhouse Gas Control), и 1 монография (Е.А. Романкевич, А.А. Ветров Углерод в Мировом океане, ГЕОС, 2021). Результаты представлены на зарубежных и национальных конференциях.

 

Публикации

1. Бегматов С., Саввичев А.С., Кадников В., Белетский А., Русанов И., Клювиткин А., Новичкова Е., Марданов А., Пименов Н., Равин Н. Microbial Communities Involved in Methane, Sulfur, and Nitrogen Cycling in the Sediments of the Barents Sea Microorganisms, 9(11), 2362 (год публикации - 2021).

2. ван Лием-Нгуен В., Вилд Б., Густафсоон О., Семилетов И., Дударев О., Джонсон С. Spatial patterns and distributional controls of total and methylated mercury off the Lena River in the Laptev Sea sediments Marine Chemistry, 238, 104052 (год публикации - 2022).

3. Клемент Кинни Дж., Ассманн К. М., Масловски В., Бьорк Г., Якобссон М., Юттерстрём С., Ли Ю. Дж., Осински Р., Семилетов И., Ульфсбо А., Вольстрём И., Андерсон Л.Г. On the circulation, water mass distribution, and nutrient concentrations of the western Chukchi Sea Ocean Science Discussion, Preprint os-2021-43 (год публикации - 2021).

4. Колесниченко, Ю.; Колесниченко, Л.Г .; Воробьев, С.Н .; Широкова, Л.С .; Семилетов И.П .; Дударев, О.В .; Воробьев, Р.С.; Шаврина У .; Кирпотин, С.Н .; Покровский, О. Landscape, Soil, Lithology, Climate and Permafrost Control on Dissolved Carbon, Major and Trace Elements in the Ob River, Western Siberia Water, 13(22), 3189 (год публикации - 2021).

5. Крылов А.А., Егоров И.В., ...., Лобковский Л.И., Медведев И.П., Семилетов И.П. Ocean-Bottom Seismographs Based on Broadband MET Sensors: Architecture and Deployment Case Study in the Arctic Sensors, 21(12), 3979 (год публикации - 2021).

6. Мартенс Я., Романкевич Е., Семилетов И., Вилд Б., Ван Донген Б., Вонк Е., Тези Т., Шахова Н., Дударев О., Космач Д. и др. CASCADE – The Circum-Arctic Sediment CArbon DatabasE Earth System Science Data, 13 (6), pp. 2561–2572 (год публикации - 2021).

7. Осадчиев А., Фрей Д., Спивак Э., Щука С., Тилинина Н., Семилетов И. Structure and inter-annual variability of the freshened surface layer in the Laptev and East-Siberian seas during ice-free periods Frontiers in Marine Science, volume 8 (год публикации - 2021).

8. Пипко И.И., Пугач С.П., Моисеева Ю.А., Дударев О.В., Репина И.А., Сергиенко В.И., Семилетов И.П. Dynamics of dissolved carbon in the mainstem of the Lena River in July 2017 Doklady Earth Sciences, vol. 500, Part 2, pp. 882-889 (год публикации - 2021).

9. Погожева М., Жданов И., Березина Ф., Лапенков А., Космач Д., Осадчиев А., Ханке Г., Семилетов И., Якушев Е. Distribution of floating marine macro-litter in relation to oceanographic characteristics in the Russian Arctic Seas Marine Pollution Bulletin, Volume 166, 112201 (год публикации - 2021).

10. Романкевич Е.А., Ветров А.А. Углерод в мировом океане ГЕОС,Москва, 352 с (год публикации - 2021).

11. Рубан А.С., Рудмин М.А., Мазуров А.К., Милевский Я.В., Семилетов И.П., Гершелис Е.В., Дударев О.В. Геохимические особенности донных осадков в областях разгрузки метан-содержащих флюидов на внешнем шельфе моря Лаптевых BULLETIN OF THE TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY-GEO ASSETS ENGINEERING, - (год публикации - 2021).

12. Черных Д.В., Саломатин А.С., Юсупов В.И., Шахова Н.Е., Космач Д.А., Дударев О.В., Гершелис Е.В., Силионов В.И., Ананьев Р.А., Гринько А.А., Семилетов И.П. Акустические исследования глубоководных газовых факелов Охотского моря BULLETIN OF THE TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY-GEO ASSETS ENGINEERING, 332. No 10. pp. 57 - 68 (год публикации - 2021).

13. Якушев Э., Бломберг А., Иек Э., Проценко Э., Тотланд К., Стаалстрём А., Ваару И.-К. Modeling of biogeochemical consequences of a CO2 leak in the water column with bottom anoxia International Journal of Greenhouse Gas Control, 111, 103464 (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В настоящее время развитие мировой климатологии испытывает трудности, обусловленные, в первую очередь, недостатком знаний о степени влияния антропогенных и естественных факторов на изменение климата, что приводит к большому количеству неопределенностей в функционировании климатической системы нашей планеты и вызывает ряд серьезных проблем, связанных с планированием развития в области энергетики. В глобальной стратегии климатических исследований и энергетического развития складывается парадоксальная ситуация: не учитывается известный факт арктического климатического усиления (Arctic amplification), которое проявляется в 3-4 кратном превышении темпов потепления в Арктике по сравнению со всей планетой, которая нагрелась примерно на 0,8 C с конца 19 века – начала индустриальной революции, в то время как Арктика нагрелась на 2-3 C за этот же период. Потепление Арктики приводит к драматическому сокращению морских льдов, отрицательному балансу массы покровных ледников, и деградации мерзлоты, что приводит к изменению баланса в цикле углерода и необходимости пересмотра теории климата в контексте изучения механизма и оценки взаимодействия множества пока малопонятных положительных и отрицательных обратных связей в климатической системе. Данный проект сфокусирован на выявлении комплексных биогеохимических, геологических, и климатических последствий деградации наземной и подводной мерзлоты, которая содержит запасы углерода планетарного масштаба. Северный Ледовитый океан (СЛО) рассматривается как интегратор изменений состояния мерозлоты, которые наиболее контрастно проявляются в водосборах Великих Сибирских рек, площадь которых соизмерима с площадью акватории СЛО, на мелководном шельфе, и в прибрежной зоне (включая эрозию берегового ледового комплекса). В 2022 году, на основе анализа молекулярного и изотопного состава органического вещества (ОВ), выполненного в пробах, отобранных в морских экспедициях на борту НИС Академик Мстислав Келдыш (АМК) в 2020 г. (АМК-рейс 82) и в 2021 г. (АМК-86), были изучены характерные особенности транспорта и трансформации растворенного (РОВ) и взвешенного наземного ОВ в морях Восточной Арктики (МВА), и Карском море. Были получены молекулярные характеристики методом масс-спектрометрии ион-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье и структурно-групповые характеристики вещества методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса на ядрах 1Н и 13С. Пробы анализировали на МС ИРЦ ПФ спектрометре solariX 15 T FT ICR (Bruker Daltonics, Bremen, Germany), снабженного сверхпроводящим магнитом с напряженностью 15 Т и источником ионов Apollo II, расположенного в центре коллективного пользования ИОХ РАН им. Н.Д. Зелинского. Образцы РОВ Карского моря характеризовались значительно более высоким содержанием гидролизуемых таннинов по сравнению с молекулярным составом РОВ Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, образцы которых характеризовались большим вкладом алифатических молекулярных структур таких как лигнины и конденсированные таннины. Таким образом, был продемонстрирован окислительно-восстановительный градиент состояния РОВ на акватории Северного морского пути, с запада на восток: молекулярный состав РОВ становится менее окисленным и более восстановленным в связи с преобладанием выноса более «свежего» РОВ, высвобождаемого в результате деградации вечной мерзлоты, толщина и сплошность которой также увеличивается с запада на восток. Это свидетельствует о трансформации высвобождаемого РОВ как части углеродного цикла и представляет собой потенциально значимый источник углекислого газа (СО2), при деградации вечной мерзлоты, мобилизации и трансформации наземного ОВ. Были проанализированы и обобщены результаты 20-летних комплексных исследований ОВ взвеси и донных осадков, выполненных на молекулярном и изотопном уровне, что позволило выявить и количественно оценить основные источники наземного ОВ мобилизованного в результате деградации всей мерзлоты окружающей СЛО, с фокусом на Российском секторе Арктики - в водосборах Великих Сибирских рек и берегового ледового комплекса, который простирается более чем на 4000 км. Основными источниками взвешенного ОВ наземного происхождения в осадках шельфа СЛО являются почвы, ледовый комплекс (ЛК), торф. Показано, что сток арктических рек определяет вынос ОВ почвенного и торфяного происхождения. Максимальный вклад эрозионного ОВ (из ледового комплекса) наблюдается на самом широком и мелководном шельфе Мирового океана- на шельфе МВА, а ОВ торфяного генезиса- в Карском море. Доказано, что в МВА до 99% ОВ взвешенного вещества имеет наземное происхождение. В Восточно-Сибирском море была исследована межгодовая мезомасштабная изменчивость изотопного и молекулярного состава взвешенного ОВ (POC) мобилизованного из ЛК: POC/TN отношение во взвешенном ОВ, δ15N (%) во взвешенном ОВ, а также пространственное распределение фенолов лигнина. Впервые получены количественные оценки фракций почвы, ЛК, торфа, и скоростей аккумуляции общего ОВ в осадках всех арктических морей СЛО. Во всех морях наземный сигнал ОВ ослабевает по направлению к материковому склону, где доминирует ОВ морского происхождения. Разница в поведении различных компонентов ОВ оценена количественно. Показано, что фенолы лигнины изымаются из оборота примерно в 2 раза быстрее чем липидные биомаркеры, и в 3 раза быстрее чем ОВ- в целом. Показано, что основным продуктом реминерализации мобилизованной части наземного ОВ мерзлоты является СО2, что определяет климатическую роль этого процесса Подводная мерзлота является гигантским резервуаром углерода в форме гидратов, свободного газа, и древнего ОВ. Распространено мнение о том, что вовлечение древнего ОВ в современные биогеохимические циклы – в результате деградации субаквальной мерзлоты, может привести к образованию и эмиссии СН4 и СО2 в значимых количествах. Мы использовали образцы осадков из 5 колонок длиной от 21 до 56 м. Был изучен гранулометрический состав, лигниновые и липидные биомаркеры, что дало основание считать осадки эолового происхождения – в комбинации с флювиальным песком возрастом до 160000 лет (OSL-датирование), с доминированием ОВ лесных и тундровых почв. Наши оценки дают скорость вовлечения ОВ - в результате таяния подводной мерзлоты, примерно 1.3 ± 0.6 кг OC м−2, что примерно в 9 раз превосходят аналогичные оценки, полученные для деградации наземной мерзлоты. В течении 20-месячного инкубационного эксперимента, продукция CH4 и CO2 составила в среднем 1.7 нмоль и 2.4 микромоль г−1 OC в сут, что можно принять за базовые оценки вклада биогенного СН4 и СО2 образованного из древнего ОВ (мобилизованного из таящей субаквальной мерзлоты), и для эмиссии из осадка в воду, что вносит вклад в асидификацию вод, которая достигает в районе исследований экстремальных величин. Изотопный состав CH4 (δ13C: -65 ± 5‰; δD: -300 ± 14‰) свидетельствует о процессе микробной ферментации, что согласуется с ранними авторскими результатами, полученными для прибрежной зоны моря Лаптевых, совместно с Университетом Утрехт (Sapart, Shakhova, Semiletov et al., BG, 2017). Полученный результат свидетельствует о том, что диффузионный поток новообразованного СН4 является практически незначимым - по сравнению с пузырьковым переносом, который минует зону окисления в слое сульфат-редукции, и играет важную роль в региональном, и возможно – в глобальном цикле СН4. Выше приведены избранные результаты – с фокусом на изучении и количественной оценке потоков углерода в различной форме. Также был получен ряд важных натурных и модельных результатов направленных на выявление связи между состоянием подводной мерзлоты, сейсмотектоническими процессами, механизмом формирования газовых каналов разгрузки, термодинамическими свойствами осадков, и аутигенным карбонатами в районах массированной пузырьковой разгрузки СН4. Результаты исследований опубликованы в ряде ведущих мировых изданий, включая две статьи в Nature Communications, Progress in Oceanography, Chemical Geology, Marine and Petroleum Geology, Marine Pollution Bulletin, Energy & Fuels, Environmental Pollution.

 

Публикации

1. Ананьев Р.А.; Дмитревский, Н.Н.; Росляков, А.Г.; Черных Д.В.; Мороз, Э.А.; Зарайская, Ю.А.; Семилетов, И.П. Acoustic monitoring of gas emission processes in the Arctic Shelf Seas Oceanology, Oceanology. 2022. V. 62. № 1. P. 151–157 (год публикации - 2022).

2. Вильд Б., Шахова Н., Дударев О., Рубан А., Космач Д., Тумской В., Теси Т., Гримм Х., Нибом И., Мацубара Ф., Александерсон Х., Якобссон М. , А. Мазуров, И. Семилетов, О. Густафссон Organic matter composition and greenhouse gas production of thawing subsea permafrost in the Laptev Sea Nature Communications, Nat Commun 13, 5057 (год публикации - 2022).

3. Гончаров А.А., Алексеев Д.А., Кошурников А.В., Гунар А.Ю., Пушкарев П.Ю. Using pseudo-random code sequences for improving the efficiency of near-field transient electromagnetic sounding on the Arctic shelf Izvestiya, Physics of the Solid Earth, Izvestiya, Physics of the Solid Earth volume 58, pages 744–754 (год публикации - 2022).

4. Дударев О., Чаркин А., Шахова Н., Рубан А., Черных Д., Вонк Ю., Теси Т., Мартенс Ю., Пипко И., Пугач С., Гершелис Е., Леусов А., Гринько А., Густафссон О., Семилетов И. East Siberian Sea: interannual heterogeneity of the suspended particulate matter and its biogeochemical signature Progress in Oceanography, Progress in Oceanography 208, 102903 (год публикации - 2022).

5. Жданов И., Лохов А., Белесов А., Кожевников А., Пахомова С., Березина А., Фролова Н., Котова Е., Лещев А., Ван Х., Завьялов П., Якушев Е. Assessment of seasonal variability of input of microplastics from the Northern Dvina River to the Arctic ocean Marine Pollution Bulletin, Marine Pollution Bulletin, Volume 175, February 2022, 113370 (год публикации - 2022).

6. Крылов, А.А.; Ковачев, С.А.; Радюк, Э.А.; Рогинский, К.А.; Новиков, М.А.; Самылина О.С.; Лобковский, Л.И.; Семилетов, И.П. MatNERApor—A Matlab Package for Numerical Modeling of Nonlinear Response of Porous Saturated Soil Deposits to Pand SH-Waves Propagation Applied Sciences, Appl. Sci. 2022, 12, 4614 (год публикации - 2022).

7. Лахманов Д., А.Ю. Кожевников, С.А. Покрышкин, И.П. Семилетов, Д.С. Косяков Polycyclic aromatic hydrocarbons in the Siberian Arctic seas sediments Marine Pollution Bulletin, Marine Pollution Bulletin,Volume 180, 2022, 113741 (год публикации - 2022).

8. Лобковский, Л.И.; Рамазанов, М.М.; Семилетов, И.П.; Алексеев, Д.А. Decomposition of Unstable Gas Hydrate Accumulations in the Cryolithozone Geosciences, Geosciences 2022, 12, 345 (год публикации - 2022).

9. Мартенс Дж., Вильд Б., Семилетов И., Дударев О. и О. Густафссон Circum-Arctic release of terrestrial carbon varies between regions and sources Nature Communications, Nature Communications, vol. 13, no.5858 (год публикации - 2022).

10. Пахомова С., Березина А., Люшер А., Жданов И., Сильвестрова К., Завьялов П., ван Бавел Б., Якушев Е. Microplastic variability in subsurface water from the Arctic to Antarctica Environmental Pollution, Environmental Pollution, 298 (2022) 118808 (год публикации - 2022).

11. Пипко И.И., Пугач С.П., Семилетов И.П. Dynamics of Carbonate Characteristics of the Kara Sea Waters in the Late Autumn Season of 2021 Doklady Earth Sciences, Doklady Earth Sciences, 2022, Vol. 506, Part 1, pp. 671–676 (год публикации - 2022).

12. Погожева М., Полухин А., Маккавеев П., Стаалстрём А., Березина А., Якушев Е. Arctic Inshore Biogeochemical Regime Influenced by Coastal Runoff and Glacial Melting (Case Study for the Templefjord, Spitsbergen) Geosciences, Geosciences 12(1): 44 (год публикации - 2022).

13. Рубан А., Рудмин М., Мазуров А., Черных Д., Дударев О., Семилетов И. Cold-seep carbonates of the Laptev Sea continental slope: Constraints from fluid sources and environment of formation Chemical Geology, Chemical Geology Volume 610, 121103 (год публикации - 2022).

14. Чувилин Е., Буханов Б., Юрченко А., Давлетшина Д., Шахова Н., Спивак Е., Русаков В., Дударев О., Хаустова Н., Тихонова А., Густафссон О., Теси Т., Мартенс Дж., Якобссон М., Спасенных М., Семилетов И. In-situ temperatures and thermal properties of the East Siberian Arctic shelf sediments: Key input for understanding the dynamics of subsea permafrost Marine and Petroleum Geology, Marine and Petroleum Geology 138 (2022) 105550 (год публикации - 2022).

15. Чувилин Е., Екимова В., Давлетшина Д., Кривохат Е., Шиленков В., Буханов Б. Pressure Influence on Salt Migration in Frozen Hydrate-Saturated Sediments: Experimental Modeling Energy & Fuels, Energy & Fuels 2022 36 (18), 10519-10528 (год публикации - 2022).

16. Юсупов В.И., И.П. Семилетов, Д.В. Черных, А.С. Саломатин Active High-Frequency Acoustic Thermometry of Frozen Water-Saturated Media Acoustical Physics, Acoustical Physics, 2022, Vol. 68, No. 5, pp. 459–466 (год публикации - 2022).