Ссылка для цитирования: Газовый состав и микроорганизмы в подземных льдах Российской Арктики / В.И. Бутаков, Е.А. Слагода, М.Д. Заватский, В.И. Иванов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – №9. – С. 63-75.

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.