Глава 4 Газометрические исследования

 ГЛАВА 4.

Газометрические исследования

Под термином газометрические исследования здесь понимаются
исследования содержания метана в воде озера. Изучение процессов формирования полей концентраций метана в природных водах является важной частью современных комплексных гидрологических и океанологических
исследований. На дне морей, океанов и других водных бассейнов могут
создаваться условия, благоприятные для образования метана. В результате растворения в придонных водах этот газ может диффундировать в вышележащие слои воды, создавая поля повышенных концентраций. Частично он может подниматься на поверхность в виде пузырей. Выяснение генезиса
метана (биогенного, катагенетического или абиогенного), обнаруженного
в природных водах, вызывает особый интерес в настоящее время. Прежде всего это связано с поиском нефтегазоносных участков дна акваторий, где анализ углеводородных газов приобретает большое практическое значение.

В последнее время большую обеспокоенность вызывает вопрос
о вкладе метана в парниковый эффект нашей планеты. Содержание этого газа
в атмосфере составляет всего 1,8 ppm, однако активность метана примерно
в 20 раз выше активности углекислого газа, таким образом, оценка эмиссии CH₄ является частью современных климатических исследований [8].

4.1. Газометрические измерения в экспедиции 2015 г.

В период экспедиции были отобраны 44 пробы воды на 20 станциях для анализа на содержание метана. Пробы воды с различных горизонтов были отобраны батометром, при этом использовались стеклянные банки с узким горлом (30 мл), предварительно промытые раствором хромовокислого калия, дистиллированной водой и высушенные. Отбор проб воды происходил следующим образом: банка заполнялась водой с переливом одного объема, чтобы внутри не осталось пузырьков воздуха; газовая фаза формировалась вытеснением части жидкости шприцем объемом 4,8 мл. Пробы воды, закрытые крышкой с резиновой прокладкой, хранились в таком положении, чтобы пузырек газа внутри не касался крышки для исключения возможного газообмена между пробой и атмосферным воздухом. Далее применялась
методика фазово-равновесной дегазации [7] с газово-хроматографическим определением концентраций метана. Суммарная погрешность измерений
составляет примерно 5%.

Значения концентраций метана в пробах воды оз. Иссык-Куль в июне 2015 г. лежат в диапазоне 0,13–3,89 мкл/л (Приложение 1, таблица П4.1.), средняя концентрация растворенного CH₄ составляет 0,45 мкл/л.

В поверхностном слое вод минимальное содержание метана зафиксировано в северной части озера (станции 2 и 8) и составляет 0,13 мкл/л (Рис. 4.1).

Рис. 4.1. Содержание метана в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль (июнь 2015 г.)

Локальные повышения концентраций наблюдались в юго-западной
и северо-восточной частях озера.

При общем рассмотрении группы значений концентраций метана в толще вод озера можно отметить, что большинство их не превышает 0,5 мкл/л, однако два значения в восточной части озера на глубинах 56 м и 70 м (придонные воды) являются относительно высокими, 3,89 мкл/л и 3,05 мкл/л, соответственно (Рис. 4.2). Аналогичное, но не столь явное повышение придонного содержания метана над поверхностным наблюдалось на станциях 14 и 15 (Рис. 4.2, 4.3). Для глубинных станций 17–19 характерно в целом однородное распределение метана по вертикали около 0,22 мкл/л (Рис. 4.2).

При более детальном рассмотрении общей массы полученных значений (Рис. 4.3) можно заметить, что вертикальные профили концентраций метана имеют различный характер (повышение или понижение концентраций
с глубиной, однородное распределение). Причинами локальных различий
в структуре полей концентраций метана могут служить влияние материкового стока и донных источников газа, величина биопродуктивности вод озера,
а также гидрохимические и гидродинамические условия.

Рис. 4.2. Содержание метана в толще вод оз. Иссык-Куль (июнь 2015 г.)

Рис. 4.3. Содержание метана в толще вод оз. Иссык-Куль

(основная масса значений, июнь 2015 г.)

4.2. Газометрические измерения в экспедиции 2016 г.

Газометрические измерения осуществлялись по той же методике, что и в 2015 г. По данным измерений осенью 2016 г., концентрация растворенного метана в оз. Иссык-Куль менялась от 4,06 до 211,18 нМ/л (Приложение 2, таблица П2.2). По сравнению с данными июня предыдущего 2015 г., когда среднее содержание метана было равно 19,87 нМ/л, в октябре – ноябре 2016 г. эта величина составила 25,27 нМ/л. Это увеличение может быть вызвано
сезонной и межгодовой изменчивостью биохимических характеристик водоема, определяющих жизнедеятельность микроорганизмов и интенсивность процесса деструкции органических веществ, а также различным положением станций отбора проб в 2015 и 2016 гг.

Содержание метана в поверхностном слое вод превышает концентрацию, равновесную с воздухом, в основном, в 3–5 раз. Максимальное отношение (до 84) отмечено в заливе Пржевальского, концентрация метана здесь достигает 211,18 нМ/л (Рис. 4.4). По-видимому, такая картина распределения объясняется воздействием впадающей в залив реки Джергалан, что в свою очередь влияет на гидрохимические и биологические характеристики среды, определяющие количество метана в воде. Локальные увеличения концентраций наблюдались в юго-западной части озера, что отмечалось и в июне 2015 г. Также повышенное насыщение вод растворенным метаном до 58,33 нМ/л, по данным 2016 г., было зафиксировано в западном районе водоема.

Основная группа значений концентраций метана, полученная на вертикальных профилях в толще вод озера, не превышает 30 нМ/л (Рис. 4.5). Диапазон величин концентраций для глубинных станций (с горизонтами отбора проб до 576 м) составляет 3,89–13,10 нМ/л, что сопоставимо с данными, полученными в июне 2015 г. В целом, уменьшение количества растворенного метана по вертикали должно, вероятно, определяться зоной распространения зоопланктона, продукты жизнедеятельности которого являются одним из источников CH₄.

Рис. 4.4. Содержание метана в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в июне 2015 г. (вверху) и в октябре-ноябре 2016 г. (внизу)

Рис. 4.5. Содержание метана в толще вод озеро Иссык-Куль (октябрь – ноябрь 2016 г.)

4.3. Газометрические измерения в экспедиции 2017 г.

Газометрические измерения осуществлялись по той же методике, что
и в 2015 и 2016 гг. По данным измерений в июне 2017 г., содержание растворенного метана в озеро Иссык-Куль составляло от 5,86 до 227,00 нмоль/л, что
в целом совпадает с результатами измерений предыдущих экспедиций 2015
и 2016 гг. В таблице 4.1. приведены содержание метана в пробах воды
в озеро Иссык-Куль (июнь 2017 г.).

Таблица 4.1.

Концентрации метана в поверхностном слое вод превышали концентрацию, равновесную с воздухом, в 2 раза в центральной части озера, 93 раза в Тюпском заливе и 23 раза в заливе Пржевальского (Рис. 4.6). Похожая картина наблюдалась и осенью 2016 г. Вероятной причиной этого являются речные воды, которые выносят в акватории заливов значительное количество органических веществ. В свою очередь, разложение органики в анаэробных микронишах приводит к росту содержания растворенного метана. По сравнению с данными июня 2015 г. и октября – ноября 2016 г., концентрации метана в озере вне заливов в июне 2017 г. были немного ниже и в основном составляли 5–10 нмоль/л. В то же время сохранялось локальное повышение содержания CH₄ в западной части озера по направлению к берегу.

Рис. 4.6. Содержание метана в поверхностном слое вод оз. Иссык-Куль в июне 2017 г.

Данные содержания метана на вертикальных профилях в толще вод озера, в целом, сходны с результатами, полученными в экспедиции 2016 г. (Рис. 4.7).

Большая часть значений не превышало 30 нмоль/л. На глубинных станциях распределение метана практически однородно по вертикали. Наличие локальных максимумов растворенного метана, по-видимому, определяется областью распространения зоопланктона, продукты жизнедеятельности которого являются одним из источников биогенного CH₄, а также влиянием верхнего слоя донных осадков, где при определенных условиях может происходить процесс анаэробного разложения органических веществ.

Рис. 4.7. Содержание метана в толще вод озера Иссык-Куль (июнь 2017 г.)

Значения концентраций метана, растворенного в водотоках, впадающих в озеро Иссык-Куль, лежат в пределах от 3 до 4688 нмоль/л. Они приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2.

Краткие выводы по Главе 4.

Метан является важным звеном в цепи биогеохимического круговорота веществ. Образованный при разложении органического материала, он выступает в роли показателя биопродуктивности вод и трассера различных биогеохимических процессов в пресноводных и морских акваториях. Имея информацию о количестве растворенного в воде метана, можно также косвенно оценить степень загрязнения вод органическими веществами, поступающими с материковым стоком.

По данным измерений, концентрация растворенного метана в озере Иссык-Куль в целом менялась от почти нуля до 211 нМ/л. На большинстве станций наблюдалось превышение придонного содержания метана над поверхностным наблюдалось на большинстве станций. Для глубинных станций характерно квазиоднородное распределение метана по вертикали.

Содержание метана в поверхностном слое вод Иссык-Куля превышает концентрацию, равновесную с атмосферным воздухом в среднем в 3–5 раз. Максимальные значения этого отношения отмечены в заливе Пржевальского (до 84) и в Тюпском заливе (до 93). Максимальные концентрации метана (до 211.2 нМ/л) также зарегистрированы в заливе Пржевальского. Очевидно, такая картина распределения объясняется воздействием впадающей в залив реки Джергалан.

Значения концентраций метана, растворенного в водотоках, впадающих в озеро Иссык-Куль, лежат в пределах от 3 до 4688 нМ/л. Столь широкий диапазон полученных значений указывает на значительные различия в условиях, определяющих процессы образования, накопления и окисления метана в ряде исследованных водотоков.