Команда российских ученых исследовала льдосодержащие отложения Восточно-Сибирского арктического шельфа. Ученые доказали, что причина таяния подводной мерзлоты — не только потепление морской воды, но также миграции ионов ее солей (в основном NaCl). Как сообщает портал «Научная Россия», результаты исследования опубликованы в журнале Marine and Petroleum Geology.

В конце 1990-х — начале 2000-х командой российских ученых под руководством  заведующего лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, научного руководителя Института экологии ВШЭ Игоря Семилетова и главного научного сотрудника Института экологии ВШЭ Натальи Шаховой были начаты исследования, направленные на выявление влияния деградации подводной мерзлоты на масштабы эмиссии метана из донных отложений арктического шельфа России в атмосферу. Исследователи обнаружили аномальное содержание метана в воде и воздухе морей Восточной Арктики, где сосредоточено более 80% всей подводной мерзлоты.

После публикации результатов исследования в журнале Science стала очевидной необходимость пересмотра ранее сложившихся представлений о том, что подводная мерзлота сплошная и стабильная. В период 2011–2015 годов путем повторного бурения научных скважин, выполненных в 1982–1983 годах на шельфе моря Лаптевых, были получены первые надежные данные по скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты. Было установлено, что эти скорости во много раз выше, чем были бы только за счет теплового обмена, как было принято считать ранее. Авторами было сделано предположение о том, что это связано с диффузией соли, направленной из морской воды в опресненные осадки подводной мерзлоты. Ниже приведены результаты одного из последних исследований, выполненных в этом направлении совместно с командой ученых под руководством Евгения Чувилина из Сколковского института науки и технологий.

Команда ученых исследовала льдосодержащие отложения Восточно-Сибирского арктического шельфа. Ученые доказали, что причина таяния подводной мерзлоты — не только потепление морской воды, но также миграции ионов ее солей (в основном NaCl). Также во время экспедиции были подтверждены мощные потоки метана из донных отложений Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых, которые были открыты авторской командой ранее.

Эти наблюдения подчеркивают необходимость пересмотра существующих взглядов на состояние подводной мерзлоты, которая потенциально более уязвима к оттаиванию, чем ее наземный аналог. Результаты исследования опубликованы в журнале Marine and Petroleum Geology. Более того, в ранней авторской работе, опубликованной в  Nature Geoscience, показано, что температура подводной мерзлоты в верхнем 100-метровом слое на Восточно-Сибирском шельфе примерно на 10 ℃ выше, чем температура наземной мерзлоты.

Восточно-Сибирский арктический шельф — хранилище запасов природных углеводородов, стратегически важное место для разработки нефтегазовых месторождений, но при этом и сложная природная территория, требующая особого подхода и изучения.

Чтобы избежать экологического и финансового ущерба, перед бурением необходимо точно знать о наличии подводной мерзлоты, ее размерах, составе и свойствах. Геологические работы включают бурение и заборы проб грунтов, они рискованны и дорогостоящи, поэтому большая часть имеющейся информации о состоянии подземной мерзлоты основана на данных локальных геофизических исследований (без бурения и повреждения изучаемой среды) и численного моделирования.

В свою очередь, результаты моделирования зависят от входных параметров, которые не всегда надежны и точны, поэтому существует необходимость проведения полевых практических исследований. Группа российских ученых провела такого рода исследование с помощью цилиндрических зондов METER Group, KD-2 и KD-2 Pro. Были пробурены три параметрические скважины (глубина колонкового бурения 50–60 м). Две скважины находились на шельфе моря Лаптевых, а третья — в морской лагуне, примыкающей к бухте Буор-Хая. Также были проведены детальные морские исследования в Восточно-Сибирском, Карском морях и море Лаптевых.

Данные говорят о наличии широко распространенной подводной льдосодержащей вечной мерзлоты от шельфа Восточно-Сибирского арктического моря до континентального склона на расстоянии ~1000–1500 км от побережья, исключая глубоководные районы (пролив Вилькицкого при глубине воды ~230 м). Ученые выделили три основных типа горизонта отложений.

Верхние несколько метров состоят из незамерзшей мягкой глины и имеют теплопроводность 0,8–1,1 Вт/(м⋅K) и соленость 0,5–1,0%. Содержание влаги уменьшается с увеличением глубины с 90% до 45%.

Более глубокие отложения состоят из незамерзших, засоленных алевритовых и мелкозернистых песков. Первоначально они составляли часть вечной мерзлоты, но из-за потепления морской воды и диффузии соли в природную мерзлоту около 9 тыс. лет назад льдосодержащие отложения начали деградировать в подводных условиях. Теплопроводность этих отложений варьируется от 1,4 Вт/(м⋅K) в образцах с высоким содержанием ила и глины до 2,1 Вт/(м⋅K) в мелком песке. Соленость отложений составляет от 0,4% до 1,0%.

Далее располагается переходная зона, за которой следует третий слой, состоящий из замерзших льдосодержащих отложений. Они включают различные типы песчаных почв. Замерзшие льдосодержащие отложения характеризуются более высокой теплопроводностью — 2,2–3,2 Вт/(м⋅K), плотностью грунта 1,8–2,0 г/см3 и содержанием влаги более 25–30%.

Таким образом, теплопроводность замороженных почв приблизительно на 45–60% выше, чем у незамерзших, причины этого — более низкая соленость (~0,1–0,2%), более высокая льдонасыщенность и умеренное содержание незамерзшей воды. Также во время экспедиции были обнаружены мощные потоки метана из донных отложений Восточно-Сибирского моря и моря Лаптевых.

По мнению исследователей, полученные данные о состоянии подводной мерзлоты говорят о том, что она потенциально более уязвима к оттаиванию, чем ее наземный аналог.

«Полученные в ходе экспедиции новые данные и результаты лабораторных экспериментов подтверждают, что прогрессирующая деградация льдосодержащих отложений на арктическом шельфе происходит в результате как потепления морской воды, так и миграции ее солевых ионов (в основном NaCl) в подводную льдосодержащую мерзлоту», — поясняет один из авторов статьи Игорь Семилетов.

Авторы статьи предполагают, что полученные данные помогут улучшить существующие численные модели деградации подводной мерзлоты и дестабилизации гигантских запасов арктических шельфовых гидратов с учетом эффекта быстрой диффузии солености из морской воды в мерзло-талые донные осадки на арктическом шельфе.

Другим важным направлением исследований является выявление природы источников массированной разгрузки пузырькового метана. Эти исследования проводятся совместно со стратегическими партнерами из Стокгольмского университета — группой профессора Орьяна Густафссона (члена Шведской королевской академии наук и Нобелевского комитета по химии) — путем измерения стабильных изотопов и радиоуглеродного возраста метана. В последней совместной статье, посвященной этой теме и опубликованной в престижном журнале PNAS, была показана значительная роль поступления метана термогенного происхождения, что свидетельствует о гораздо большем потенциале разгрузки геологического метана на российском арктическом шельфе.

Комплексные исследования, направленные на изучение климатической роли деградации подводной мерзлоты и шельфовых гидратов, осуществлены в рамках работы Научного центра мирового уровня (НЦМУ) Институтом экологии НИУ ВШЭ. В рамках НЦМУ эти исследования будут развиваться как международная тематическая программа. Новые знания будут направлены на снижение рисков неблагоприятных последствий геоэкологических катастроф и их влияния на состояние экосистем и глобального климата, рассказал директор Института экологии НИУ ВШЭ Борис Моргунов.