Sonar Estimation of Methane Bubble Flux from Thawing Subsea Permafrost: A Case Study from the Laptev Sea Shelf

Seeps found offshore in the East Siberian Arctic Shelf may mark zones of degrading subsea permafrost and related destabilization of gas hydrates. Sonar surveys provide an effective tool for mapping seabed methane fluxes and monitoring subsea Arctic permafrost seepage. The paper presents an overview of existing approaches to sonar estimation of methane bubble flux from the sea floor to the water column and a new method for quantifying CH4 ebullition. In the suggested method, the flux of methane bubbles is estimated from its response to insonification using the backscattering cross section. The method has demonstrated its efficiency in the case study of single- and multi-beam acoustic surveys of a large seep field on the Laptev Sea shelf

Composition of Sedimentary Organic Matter across the Laptev Sea Shelf: Evidences from Rock-Eval Parameters and Molecular Indicators

Global warming in high latitudes causes destabilization of vulnerable permafrost deposits followed by massive thaw-release of organic carbon. Permafrost-derived carbon may be buried in the nearshore sediments, transported towards the deeper basins or degraded into the greenhouse gases, potentially initiating a positive feedback to climate change. In the present study, we aim to identify the sources, distribution and degradation state of organic matter (OM) stored in the surface sediments of the Laptev Sea (LS), which receives a large input of terrestrial carbon from both Lena River discharge and intense coastal erosion. We applied a suite of geochemical indicators including the Rock Eval parameters, traditionally used for the matured OM characterization, and terrestrial lipid biomarkers. In addition, we analyzed a comprehensive grain size data in order to assess hydrodynamic sedimentation regime across the LS shelf. Rock-Eval (RE) data characterize LS sedimentary OM with generally low hydrogen index (100–200 mg HC/g TOC) and oxygen index (200 and 300 CO2/g TOC) both increasing off to the continental slope. According to Tpeak values, there is a clear regional distinction between two groups (369–401 °C for the inner and mid shelf; 451–464 °C for the outer shelf). We suggest that permafrost-derived OM is traced across the shallow and mid depths with high Tpeak and slightly elevated HI values if compared to other Arctic continental margins. Molecular-based degradation indicators show a trend to more degraded terrestrial OC with increasing distance from the coast corroborating with RE results. However, we observed much less variation of the degradation markers down to the deeper sampling horizons, which supports the notion that the most active OM degradation in LS land-shelf system takes part during the cross-shelf transport, not while getting buried deeper

Organic carbon in surface sediments of Laptev Sea and East Siberian Sea: observation of pyrolysis data

Актуальность исследования обусловлена необходимостью изучения механизмов трансформации и накопления терригенного органического углерода, высвобождаемого из мерзлотных толщ, на шельфе арктических морей. При переносе в системе «суша-море» он может в дальнейшем накапливаться в донных осадках в шельфовой или глубоководной зоне и подвергаться деградации и реминерализации, что приводит к критическим экологическим последствиям. Цель: установление источников и степени диагенетической преобразованности терригенного органического вещества в поверхностных осадках морей Восточной Арктики. Объектом исследования послужили пробы донных осадков, взятые с поверхностного горизонта (0-10 см). Отбор проб проводился в морских исследовательских экспедициях 2011-2019 гг. Результаты. Латеральная выдержанность значений водородного индекса в современных осадках в море Лаптевых связана с вкладом гетерогенного наземного органического вещества, характеризующегося относительной биогеохимической доступностью: водородонасыщенное наземное органическое вещество сменяется морским с сохранением величины водородного индекса. Это отличает море Лаптевых от других арктических акваторий, где по мере удаления от берега отмечался устойчивый рост значения водородного индекса в связи с усилением вклада автохтонного органического вещества. В соотношении параметров δ13C и HI/OI наблюдаются значительные отклонения от линейной зависимости, характерной для консервативного геохимического режима морских акваторий: терригенный материал в осадках губы Буор-Хая характеризуется легким изотопным составом δ13C и повышенными отношением HI/OI, нетипичным для наземного генезиса. Для органического вещества, накопленного в глубоководных осадках континентального склона, напротив, отмечается низкое содержание водорода и высокая доля кислородсодержащих соединений, свидетельствующих о значительной степени диагенетической преобразованности органического вещества.Ongoing global warming accelerates release of relict terrigenous organic carbon from permafrost onto the Arctic shelf waters. When transported in the land-sea system, it can further be accumulated in bottom sediments in the shelf or deep-sea zone and undergo degradation and remineralization, which leads to critical environmental consequences. This study aims at assessing the sources and degradation degree of terrigenous organic matter in the surface sediments of the Eastern Arctic seas. Within this study, marine bottom sediments taken from the surface horizon (0-10 cm) were investigated. Sampling was carried out during the 2011-2019 marine research expeditions. Lateral consistency of hydrogen index values in modern marine sediments on the Eastern Arctic shelf (mainly in the Laptev Sea) is associated with the great contribution of heterogeneous biolabile terrestrial organic matter, in contrast to other Arctic waters, where growing hydrogen index values are associated with the consistently growing contribution of autochthonous organic matter with increasing distance from the coast. While considering the δ13C and HI/OI correlation, there are also significant deviations from the linear dependence which usually indicates a conservative marine geochemical regime. Sediments of the Buor-Khaya Bay are characterized by an increased HI/OI values in contrast to the deep-water sediments of the continental slope which shows lower hydrogen content and a higher proportion of oxygencontaining compounds, indicating a strong transformation of organic matter. These findings confirm a key role of terrigenous supply in specific biogeochemical conditions in the studied area and reveal that geochemical indicators of immature organic matter sources in the Eastern Arctic seas should be interpreted differently from other Arctic continental margins

Methane seepage impact on authigenic pyrite morphology in sediments of the Laptev Sea continental slope

Актуальность. В работе представлены результаты изучения морфологии и размеров аутигенного пирита, присутствующего в донных осадках как в рассеянном виде, так и в ассоциации с карбонатными стяжениями. С позиции изучения условий раннего диагенеза аутигенный пирит считается наиболее важным сульфидным минералом железа по причине его наибольшей диагенетической стабильности относительно других сульфидов железа. Ранее проведенные многочисленные исследования морфологии и размеров аутигенного пирита показывают возможность использования этой информации для оценки окислительно-восстановительных условий осадконакопления и раннего диагенеза как в современных, так и в древних осадочных бассейнах. Целью работы являлось изучения морфологических и размерных характеристик аутигенного пирита для оценки влияния сульфат-управляемого анаэробного окисления метана на условия раннего диагенеза. Методы: гидроакустические исследования (Kongsberg EA600), рентгенодифракционный анализ (Bruker D2 Phaser), сканирующая электронная микроскопия с локальным энергодисперсионным анализом (TESCAN VEGA 3 SBU). Основные результаты. В морфологическом отношении пирит представлен идиоморфными и гипидиоморфными кристаллами, фрамбоидами и их скоплениями, радиальными наростами, а также стержневидными агрегатами. Средний диаметр фрамбоидов, а также высокое значение стандартного отклонения в обеих рассматриваемых выборках свидетельствует о диагенетическом происхождении пирита. Сульфат-управляемое анаэробное окисление метана является доминирующим процессом, контролирующим формирование сульфидов железа, что подтверждается наличием достаточно крупных фрамбоидов диаметром до 49 мкм. Наблюдаемое разнообразие морфологических форм пирита может отражать изменение диагенетической среды с течением времени, вызванное вариативностью потока метан-содержащих флюидов.Relevance. The paper presents the results of studying the morphology and size distribution of authigenic pyrite, both present in sediments and in carbonate nodules. From the point of view of studying the conditions of early diagenesis, authigenic pyrite is considered the most important iron sulfide mineral due to its greatest diagenetic stability relative to other iron sulfides. Numerous previous studies of the morphology and size of authigenic pyrite show the possibility of using this information to assess the redox conditions of sedimentation and early diagenesis in both modern and ancient sedimentary basins. The aim of the research was to study the morphology and size distribution of authigenic pyrite to assess the effect of sulfate-controlled anaerobic oxidation of methane on the conditions of early diagenesis. Methods: field hydroacoustic researches (Kongsberg EA600), X-ray diffraction (Bruker D2 Phaser), scanning electron microscopy with local energy dispersive analysis (TESCAN VEGA 3 SBU). Results. Morphologically, pyrite is represented by idiomorphic and hypidiomorphic crystals, framboids and their clusters, radial outgrowths, and also rod like aggregates. The mean diameter of framboids, as well as the high value of standard deviation, indicate the diagenetic origin of pyrite. Sulfate-driven anaerobic oxidation of methane is the dominant process that controls the formation of iron sulfides, which is confirmed by the presence of fairly large framboids up to 49 μm in diameter. The observed diversity of pyrite morphology may reflect the change in the diagenetic environment over time, due to the variability of the flow of methane-bearing fluids

Identifying sources of organic carbon in surface sediments of Laptev Sea shelf using a Rock-Eval approach

Актуальность исследования обусловлена необходимостью всестороннего изучения процессов, ответственных за изменения биогеохимического режима арктического региона. Увеличение темпов деградации прибрежной и подводной мерзлоты на Восточно-Сибирском шельфе приводит к вовлечению в современный биогеохимический цикл большого объема ремобилизованного органического углерода. Изучение особенностей его транспорта и преобразования в системе суша-шельф играет важную роль для оценки функционирования крайне хрупкой арктической экосистемы. Цель: изучение геохимических характеристик органического вещества, прослеживаемых по профилю от береговой зоны к континентальному склону моря Лаптевых с применением метода Rock-Eval и оценка их взаимосвязи с литологическими свойствами вмещающих осадков. Объектом исследования явились пробы донных осадков, взятые с поверхностного горизонта (0-2 см). Отбор проб проводился в морских арктических экспедициях 2018-2019 гг. на НИС «Академик Мстислав Келдыш». Результаты. На основе результатов пиролитического анализа дана геохимическая характеристика органического вещества, содержащегося в донных осадках моря Лаптевых. Органическое вещество, экспортируемое с речным стоком и продуктами береговой эрозии, характеризуется относительно низким кислородным (OI) и водородным (HI) индексами в прибрежной зоне и на глубинах до нескольких десятков метров. В районе среднего шельфа существенное влияние на состав органического вещества, по всей видимости, оказывает снос осадочного вещества с Новосибирских островов, где активно действуют термоабразионные процессы (снижение значений HI и увеличение OI). Высказано предположение, что для продуктов, выносимых речным стоком, и продуктов эрозии берегов характерны различные пиролитические параметры, определяемые методом Rock-Eval (в частности, значения HI, OI и Tpeak).An increasing rate of degradation of coastal and subsea permafrost leads to remobilization of huge amounts of organic carbon. To know how this remobilized carbon behaves while being transported through the land-shelf system is crucially important for understanding an extremely fragile Arctic ecosystem. This study is aimed at tracing the geochemical signals of organic matter along the profile from the coastal zone to the continental slope of the Laptev Sea, using the Rock-Eval approach. We investigated surface sediment samples obtained during the Arctic marine expeditions of 2018-2019 on the R/V "Akademik Mstislav Keldysh". The most active oxidation of organic matter, exported with river runoff and products of coastal erosion, occurs in the coastal zone at a depth of several tens of meters. A significant effect on the organic matter composition is exerted by the sediment export from Novosibirsk Islands eroding coastlines. We assume that various products carried by river runoff and coastal erosion are characterized by various signatures detected by the Rock-Eval method (e.g., the OI and Tpeak values). It is also shown that the mineral matrix does not seem to provide a first-order control on preventing organic matter degradation during transport from the coastal zone to deep-sea basins

New acoustical technique to quantify methane ebullition in sediment water column: a case study in the Laptev sea, the Аrctic Оcean

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки научно-обоснованного подхода к количественной оценке пузырькового переноса метана (СН 4) и других газов на основе акустических методов, позволяющих проводить достоверную оценку потока метана из областей его пузырьковой разгрузки с помощью эхолотов и гидролокаторов. Цель исследования: разработка репрезентативного акустического метода количественной оценки потока метана из областей пузырьковой разгрузки в системе донные осадки - водная толща, основанного на определении количества всплывающих пузырьков, по данным о сечении их обратного рассеяния; обоснование репрезентативности разработанного метода путем сравнения с методом, основанным на проведении специальной калибровки научного эхолота по искусственному газовому факелу. Объекты: газовые факелы - эманации газа в виде всплывающих со дна пузырьков, которые образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации. Методы: разработанные авторским коллективом методы оценки потока СН 4 из областей пузырьковой разгрузки, основанные на измерении: 1) сечения рассеяния всплывающих пузырьков; 2) калибровки по искусственному газовому факелу. Результаты. Представлен обзор современных акустических дистанционных методов, применяемых для оценки потоков СН 4 в водной толще, связанных с выходящими из дна и всплывающими пузырьками. На примере обширной области пузырьковой разгрузки СН 4 на шельфе моря Лаптевых обоснована репрезентативность предложенного нового метода, основанного на расчете по сечению обратного рассеяния всплывающих пузырьков СН 4. Показано, что оценки величины пузырькового потока, полученные двумя методами: 1) новым методом, разработанным авторами, и 2) методом калибровки эхолота по искусственному газовому факелу, дают схожие результаты: 0,27±0,06 и 0,33±0,07 ммоль м-2 с-1 , соответственно. Таким образом, на практике для дистанционной и оперативной оценки потоков СН 4 с участков его пузырьковой разгрузки можно использовать оба метода, с учетом занижения расчета потока по сечению обратного рассеяния примерно на 20 % относительно реальных значений.The relevance of the research is caused by the need to develop a scientifically based approach to quantitative estimation of bubble transfer of methane and other gases based on acoustic techniques, which allow reliable estimate of methane flow from the bubble unloading areas by sound locators and submarine sonars. The main aim of the research is to investigate the possible application of an acoustical technique based on acoustic scattering in bubble plumes vs the acoustical technique based on calibration which was applied to quantify in situ sonar observations; to show that both techniques can be used for a quantification of methane ebullition in the bottom-water column system. Objects: gas flares or seeps - the emanations of gas in the form of rising bubbles from the seabottom, which form stable regions of their increased concentration in the water column. Methods: modification of acoustical techniques based on acoustic scattering in bubble plumes and on ist calibration which was applied by authors to quantify in situ single sonar observations. Results. We demonstrate a first attempt to use acoustical techniques based on (1) acoustic scattering in bubble plumes vs acoustical technique based on (2) calibration which was applied to quantify in situ sonar observations. It has been shown that both techniques can be used for a quatitative express-evaluation of methane ebullition in the bottom-water system in any aquatic ecosystem including seas, lakes, and rivers, while the first acoustical technique gives the bubble efflux values ~20 % lower then the second acoustical technique