Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 1, стр. 104-109

В последние годы Арктике уделяется все больше внимания, так как на ее шельфе сосредоточены большие ресурсы и запасы полезных ископаемых. Согласно энергетической стратегии, освоение углеводородного ресурсного потенциала континентального шельфа арктических морей и северных территорий – важнейший геополитический и технологический вызов для нефтегазового комплекса РФ [1]. На шельф Баренцева моря приходится 24% от суммарных запасов углеводородов [2]. Поэтому большое внимание уделяется проблеме загрязнения атмосферы, вод и осадков Баренцева моря [3–7]. Для углеводородов (УВ) – соединений природного и антропогенного происхождения – эти исследования особенно актуальны, так как репрезентативно оценить влияние загрязняющих веществ на существующий углеводородный фон весьма сложно [8].

Климатические изменения, которые в Баренцевом море проявляются в большей степени по сравнению с другими районами Мирового океана, способствовали сокращению площади льдов (–6.9% сут^–1), где даже в зимние месяцы 2003 г. не превышали 50% от площади моря [9]. Запуск в 2014 и 2016 г. европейских радиолокационных спутников Sentinel-1A и Sentinel-1В дал уникальную возможность получения информации о состояния поверхности моря (нефтяном загрязнении и ледовой обстановке) с помощью космических данных. Благодаря этому регулярный спутниковый мониторинг Баренцева моря ведется с 2015 г. [10].

Важные особенности Баренцева моря – скопление крупных залежей УВ и наличие протяженных зон выходов метансодержащих растворов и газовых струй из осадочных толщ ([2, 6, 9, 11–14] и др.). Ежедневное всепогодное определение нефтяных пленок на поверхности Баренцева моря основано на сборе и анализе данных радиолокационного мониторинга европейских спутников Sentinel-1A и Sentinel-1B в режимах Interferometric Wide (IW) и Extra Wide (EW) с разрешением 10 и 40 м и полосой обзора 250 и 400 км [10, 15, 16]. Различия в интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного в области нефтяного пятна (выглаживание мелких ветровых волн) и на поверхности окружающей воды, позволяют выявлять пленочные (нефтяные) загрязнения моря, включая пятна-слики природного происхождения [15].

В последние годы в ряде мест Баренцева моря с помощью анализа радиолокационных изображений (РЛИ) были обнаружены многочисленные поверхностные нефтепроявления [10, 16]. Скопления нефтяных пленок были обнаружены, как на судоходных путях и в зонах рыболовства (предположительно из-за загрязнения нефтепродуктами), так и в центральной и северной частях моря, которые были проинтерпретированы как природные нефтепроявления [16]. Согласно данным радиолокации характерная группировка пятен-сликов на поверхности Баренцева моря была установлена в 232 км к юго-востоку от о. Хопен и в 370 км к северо-востоку от о. Медвежий (рис. 1). Эти нефтепроявления впервые были обнаружены на РЛИ спутника Sentinel-1A в мае 2016 г., а затем − на последующих изображениях. Нефтепроявления в этом районе были зарегистрированы на 53 РЛИ. Большая часть пятен-сликов имела линейчатую форму, длину от 1 до 23 км; они появлялись в одном и том же месте моря, группируясь в пространстве и создавая характерные веерные структуры (рис. 1, врезка). Индивидуальная площадь пятен изменялась от 0.2 до 20 км².

Рис. 1.

Сводная карта нефтяных пленок всех типов (выделены черным цветом), обнаруженных в Баренцевом море в ходе мониторинга в 2015–2021 гг. по данным спутниковой радиолокации. Врезка: пространственно-временная группировка пятен-сликов на поверхности моря, обнаруженных в исследуемом районе; красными точками показаны места выходов нефти на поверхность моря, зеленой – ст. 7105.

На основе анализа совокупности пятен в веб-картографическом приложении, обнаруженных на разновременных РЛИ в 2016–2021 гг., сделан вывод о наличии группы из трех–пяти подводных источников нефтяных УВ на дне (грифонов или сипов). Их положение было определено в глубоководной части моря (330–345 м) в координатах 75.2°–75.3° с.ш. и 31.5°–31.8° в. д.

В августе 2021 г. в 84 рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” в этом районе (ст. 7105, рис. 1) с помощью мультикорера (Mini Muc K/MT 410, KUM, Германия) был отобран ненарушенный керн донного осадка. Цель исследования – верифицировать данные дистанционного зондирования, т.е. сопоставить результаты радиолокационного спутникового мониторинга с результатами анализа содержания и состава УВ (алифатических – АУВ и полициклических ароматических углеводородов – ПАУ) в донных осадках.

Отобранную колонку осадка делили по слоям через 1 см и замораживали до анализа в лаборатории, где пробы сушили при 50°С. Из фракции осадка 0.25 мм экстрагировали УВ ультразвуковым методом метиленхлоридом. Концентрацию АУВ определяли ИК-методом (на спектрофотометре IRAffinity-1 фирмы “Shimadzu”, Япония), алканы – газохроматографическим методом (на хроматографе Кристалл-Люкс 4000-М, РФ), суммарную концентрацию ПАУ – флуоресцентным методом (на приборе “Trilogy”, США), а их состав – методом высокоэффективной жидкостной хроматографии – ВЭЖХ (на приборе Lab Alliance “Shimadzu”, Япония). С_орг в донных осадках определяли на приборе TOC-L, (“Shimadzu”, Япония). Подробности методики описаны в [6].

Отобранный восстановленный донный осадок до глубины 13 см состоял из алеврито-пелитового ила темно-оливкового цвета, переходящий в серый, а глубже прослеживались единичные включения галечного материала. На поверхности и в толще осадка наблюдалось большое количество погонофор и их трубок. Осадок на глубине 5 см становится комковатым, с 7 см – в осадке появляются гидротроилитовые примазки и микропрослои, количество которых увеличивалось с глубиной; с 15 см – осадок уплотнялся, а с 20 см – в осадке появлялся запах сероводорода.

Содержание С_орг в осадке было довольно высоким как в поверхностных горизонтах, так и в нижнем (25–27 см) – >2% (рис. 2 а). Их концентрации определялись гранулометрическим составом осадка, и между влажностью осадка и С_орг установлена зависимость с высоким коэффициентом корреляции (r = 0.94, n = 26, p < 0.05).

Рис. 2.

Распределение (а) – С_орг, (б) – АУВ и (в) – ПАУ в толще донных осадков на ст. 7105.

Напротив, содержание АУВ было довольно низким (рис. 2 б). Их величины изменялись с 33 мкг/г (гор. 2–3 см) до 11 мкг/г (гор. 22–23 см) и неравномерно снижались с глубиной захоронения. В составе С_орг доля АУВ не превышала 0.10%, с более высокими величинами на гор. 2–3 и 17–18 см, и между распределением С_орг и АУВ в толще осадка наблюдалась зависимость (r = 0.70, n = = 26, p < 0.05).

В составе алканов (рис. 3 а) доминировали низкомолекулярные гомологи, и отношение L/H (низко- к высокомолекулярным алканам) на горизонте 26–27 см было почти в 2 раза выше (1.21), чем на горизонте 24–25 см (0.61). При этом доминировали н-алканы над изо-соединениями, особенно в нижних горизонтах (н-С₁₇/i-C₁₉ = 7.92), и пристан в основном преобладал над фитаном – i-C₁₉/i-C₂₀ = = 0.13 (гор. 18–19 см), 24.4 (гор. 23–25 см). Все это указывает на нетипичный, автохтонный, мало преобразованный состав АУВ в глубинных горизонтах осадков.

Рис. 3.

Состав в керне донного осадка на ст. 7105 на разных горизонтах: (а) – алканов и (б) ПАУ: нафталин (НАФ), 1-метилнафталин (1-МеНАФ), 2-метилнафталин (2-МеНАФ), аценафтен (АЦНФ), флуорен (ФЛР), фенантрен (ФЕН), антрацен (АНТР), флуорантен (ФЛТ), пирен (ПР), бенз(а)антрацен (БаА), хризен (ХР), бенз(е)пирен (БеП), бенз(б)флуорантен (БбФ), бенз(k)флуорантен (БкФ), бенз(a)пирен (БаП), дибенз(а,h)антрацен (ДБА), бенз(g,h,i)перилен (БПЛ), индено[1,2,3-c,d]пирен (ИНП), перилен (ПРЛ).

Содержание ПАУ в керне осадка изменялось от 2 до 193 нг/г (рис. 3 б). Их концентрации на горизонте 2–3 см уменьшались практически до аналитического нуля, что соответствует обычному их распределению в осадочной толще, так как считается, что главный источник полиаренов – атмосфера [3, 4]. В нижних горизонтах 19–27 см происходило их неравномерное увеличение. Максимальная концентрация ПАУ оказалась не в поверхностном слое, как это обычно наблюдается [4], а в толще донных осадков на горизонте 21–22 см (рис. 2 в).

Изучение состава ПАУ методом ВЭЖХ (рис. 3 б) установило повышенную долю нафталинов, с максимумом на горизонте 26–27 см (39% от суммы ПАУ). Это в достаточной степени неожиданно, так как нафталины – наименее устойчивые соединения в составе ПАУ, которые должны разлагаться в процессе седиментации [17]. Поэтому можно также считать, что они образовались непосредственно в осадочной толще. Причем содержание 2-метилнафталина (маркера нефтяного происхождения полиаренов) превышало в отдельных горизонтах даже концентрацию фенантрена, наиболее распространенного полиарена в донных осадках (рис. 3 б) [8, 17]. Повышенные концентрации перилена, содержание которого обычно увеличивается с глубиной захоронения [8], в нижней части колонки осадка (≥40 нг/г) было незначительно выше, чем в верхней. Последнее также подтверждает миграционное флюидное образование УВ.

Данные, полученные в 2019–2020 гг., показали, что антропогенное поступление УВ в донные осадки ограничено прибрежными районами, где увеличивается их содержание в составе С_орг [6]. В частности, в 2019 г. при концентрации АУВ 64 мкг/г, а ПАУ – 600 нг/г в песчанистых осадках Канинской банки (при влажности 17.4%), их доля достигала аномально высокого значения в составе С_орг: для АУВ – 11.7%, для ПАУ – 0.13%. Согласно анализу РЛИ в прибрежных районах Баренцева моря было обнаружено большое количество нефтяных пленок, источником которых считается увеличение судоходства, а наибольшее их количество тяготело к Кольскому заливу [10] (см. также рис. 1).

Кроме того, в 2020 г. на склоне желоба Стур-фьорд (Юго-восточный Шпицберген) на глубине 392 м при максимальном содержании АУВ (186 мкг/г) их доля в составе С_орг также оказалась повышенной – 1.18% [6]. В этом районе, согласно гидрофизическим данным, был установлен наиболее мощный флюидный поток. Газовый факел поднимался над дном на высоту более 100 м [18]. Тем не менее на ст. 7105, несмотря на повышенное содержание в осадках С_орг, определены низкие концентрации АУВ. Однако состав алканов и ПАУ был аномальным, что предполагает молекулярную диффузию, т.е. флюидный поток УВ из нижних горизонтов.

Необходимо учитывать, что практически половина (600 тыс. т, 46%) от суммарного поступления в Мировой океан нефтяных УВ составляют не антропогенные источники, а природные, благодаря высачиванию УВ со дна в нефтегазоносных районах [3]. Сведения о составе и фоновых концентрациях этих высачивающихся УВ довольно противоречивы. Предполагается существование нескольких типов систем, в которых может происходить поступление УВ из толщи осадков. Обычно высачивается нефть с низкой температурой застывания и в ее составе обнаружены, как и на ст. 7105, низкомолекулярные биогенные УВ.

Таким образом, результаты исследования УВ в донных осадках на ст. 7105, выполненные в месте обнаружения нефтепроявлений, указывают на их природное образование в осадочной толще, что определяет специфику их поведения. В связи с этим можно утверждать, что наличие группы сликов, обнаруженных по данным спутниковой радиолокации, имеет природное происхождение. Это заключение подтверждено независимыми исследованиями содержания и состава УВ в осадочной толще. Кроме того, известно, что в акваториях, где возможны потоки нефти со дна, скорость их высачивания значительно меняется во времени и пространстве [19]. Скорее всего, этим обусловлена изменчивость в количестве нефтяных пятен-сликов на поверхности в этом районе Баренцева моря от года к году.