Acoustic investigations of the deepest methane seeps in the Okhotsk sea

Актуальность. Газовые факелы - области пузырьковой эманации природных газов из морского дна в водную толщу и атмосферу - обнаружены в Мировом океане на глубинах от десятков метров до нескольких километров. Прямые измерения проб газа, переносимого всплывающими пузырьками, показали, что в их составе содержится более 80 % метана - второго по значимости парникового газа. Атмосферная эмиссия метана за счет расконсервирования гидратов и других депозитов природных углеводородов может приобрести широкомасштабный характер и вызвать необратимые климатические изменения. Обнаружение газовых факелов в водной толще может являться первым признаком наличия газовых гидратов в осадке, поэтому определение количества метана, переносимого газовыми факелами в воду, мониторинг их временной изменчивости и выявление новых районов газовых факелов является актуальными задачами современной науки. Результаты проведенного исследования крайне важны для понимания процессов разгрузки пузырькового метана из шельфа-материкового склона Арктических и Субарктических морей. Цель: выполнить оценку количества метана, переносимого газовыми факелами с глубины 2220 м в воду, в период с 2012 по 2018 гг.; выявить связь между потоком метана из данной области и глубинными землетрясениями, произошедшими в Охотском море; по имеющимся акустическим данным оценить скорости глубоководных течений в районе обнаружения ГФ. Объекты: газовые факелы. Методы. Акустические наблюдения за газовыми факелами проводились с помощью комплекса, установленного на борту НИС «Академик М. А. Лаврентьев», основу которого составляют модернизированные судовые эхолоты Сарган-ЭМ, ELAC LAZ-72, гидролокаторы Сарган-ГМ и многоканальная система цифровой регистрации акустических сигналов. Оценка потока метана в воду проводилась с помощью методов, основанных на измерении профиля сечения обратного рассеяния звука на частотах выше резонансной частоты пузырьков, формирующих ГФ. Результаты. В ходе 15 экспедиций в Охотском море в интервале глубин от 46 до 3330 м было зарегистрировано 1168 индивидуальных газовых факела. Для выявления закономерностей пространственного распределения газовых факелов был построен график зависимости их числа от глубины их обнаружения. На полученном графике выделяются пять локальных максимумов, приуроченных к особенностям рельефа и зоне стабильности газогидрата метана. Наиболее глубоководные из известных газовых факелов обнаружены в Охотском море на северном и восточном склонах Курильской котловины на глубинах 3330 и 2220 м соответственно. Данные газовые факелы отличались сильной временной изменчивостью, приуроченной к тектонической активности в данном регионе. В работе показано, что поток метана, выделяемого одним из газовых факелов, изменялся на три порядка в диапазоне от 5 ммоль/с до 5 моль/с. Основываясь на имеющихся акустических данных, была рассчитана скорость глубоководного течения в Курильской котловине в интервале глубин от 1100 до 2200 м, которая составила 7 см/с.The relevance. Seeps - areas of bubble emanation of natural gases from the seabed into the water column and the atmosphere - were found in different World Ocean locations at depths from tens meters to several kilometers. Direct measurements of gas samples carried by rising bubbles have shown that they contain more than 80 % of the second most important greenhouse gas - methane. The emissions of which, due to the re-preservation of deposits of natural hydrocarbons (for example, arctic or oceanic gas hydrates), can acquire a largescale character and cause irreversible climatic changes. Detection of seeps in the water column may be the first indication of the presence of gas hydrates in the sediment. Therefore, assessment of the methane fluxes carried by seeps into the water column, detection of their variability, and identification of new regions of seepage are in the forefront of the marine and climate-related sciences. Moreover, understanding of deep seepage mechanism from disturbed gas hydrates observed in the Sea of Okhotsk is crucially important for study of methane ebullition from the shelf slope hydrates in the East Siberian Arctic seas - source of atmospheric methane of global significance. The main aim: to assess the quantity of methane transported by methane seeps from a depth of 2220 m into the water for the period from 2012 to 2018; to identify the relationship between the flux of methane from this area and deep earthquakes that occurred in the Sea of Okhotsk; based on the available acoustic data, estimate the speed of deep-water currents in the seepage areas. Objects: seeps, which forms hot spots of anomalously high dissolved methane concentrations in the water column-atmosphere. Methods. Acoustic observations of the seeps were carried out using a complex unit installed on board of the RV «Academic M. A. Lavrentiev», which is based on modernized ship echosounders Sargan-EM, ELAC LAZ-72, Sargan-GM sonars and a multichannel system for digital recording of acoustic signals. Methane flux from the seabed into the water column was estimated using methods based on measuring the profiles of the sound backscattering at frequencies above the resonant frequency of the escaping bubbles. Results. In 15 expeditions accomplished in the Sea of Okhotsk, 1168 individual seeps were recorded in the depth interval from 46 to 3330 m. To identify the patterns of the spatial distribution of seeps, a graph was plotted as their number vs the depth of their detection. The resulting graph shows five local maximums associated with the features of the bottom relief and the zone of stability of methane gas hydrate. The deepest known seeps in the Sea of Okhotsk were found in the northern and eastern slopes of the Kuril Basin at depths of 3330 and 2220 m, respectively. The seepage data were characterized by strong temporal variability, confined to tectonic activity in this region, causing a change in the intensity of the methane transported by them in the form of rising bubbles. It is shown that the flow of methane released by one of the seeps varied three orders in the range from 5 mmol/s to 5 mol/s. Based on the available acoustic data, the speed of the deep-water current in the Kuril Basin, ~7 cm/s, was calculated in the depth interval from 1100 to 2200 m

Acoustic investigations of the deepest methane seeps in the Okhotsk sea

Актуальность. Газовые факелы - области пузырьковой эманации природных газов из морского дна в водную толщу и атмосферу - обнаружены в Мировом океане на глубинах от десятков метров до нескольких километров. Прямые измерения проб газа, переносимого всплывающими пузырьками, показали, что в их составе содержится более 80 % метана - второго по значимости парникового газа. Атмосферная эмиссия метана за счет расконсервирования гидратов и других депозитов природных углеводородов может приобрести широкомасштабный характер и вызвать необратимые климатические изменения. Обнаружение газовых факелов в водной толще может являться первым признаком наличия газовых гидратов в осадке, поэтому определение количества метана, переносимого газовыми факелами в воду, мониторинг их временной изменчивости и выявление новых районов газовых факелов является актуальными задачами современной науки. Результаты проведенного исследования крайне важны для понимания процессов разгрузки пузырькового метана из шельфа-материкового склона Арктических и Субарктических морей. Цель: выполнить оценку количества метана, переносимого газовыми факелами с глубины 2220 м в воду, в период с 2012 по 2018 гг.; выявить связь между потоком метана из данной области и глубинными землетрясениями, произошедшими в Охотском море; по имеющимся акустическим данным оценить скорости глубоководных течений в районе обнаружения ГФ. Объекты: газовые факелы. Методы. Акустические наблюдения за газовыми факелами проводились с помощью комплекса, установленного на борту НИС «Академик М. А. Лаврентьев», основу которого составляют модернизированные судовые эхолоты Сарган-ЭМ, ELAC LAZ-72, гидролокаторы Сарган-ГМ и многоканальная система цифровой регистрации акустических сигналов. Оценка потока метана в воду проводилась с помощью методов, основанных на измерении профиля сечения обратного рассеяния звука на частотах выше резонансной частоты пузырьков, формирующих ГФ. Результаты. В ходе 15 экспедиций в Охотском море в интервале глубин от 46 до 3330 м было зарегистрировано 1168 индивидуальных газовых факела. Для выявления закономерностей пространственного распределения газовых факелов был построен график зависимости их числа от глубины их обнаружения. На полученном графике выделяются пять локальных максимумов, приуроченных к особенностям рельефа и зоне стабильности газогидрата метана. Наиболее глубоководные из известных газовых факелов обнаружены в Охотском море на северном и восточном склонах Курильской котловины на глубинах 3330 и 2220 м соответственно. Данные газовые факелы отличались сильной временной изменчивостью, приуроченной к тектонической активности в данном регионе. В работе показано, что поток метана, выделяемого одним из газовых факелов, изменялся на три порядка в диапазоне от 5 ммоль/с до 5 моль/с. Основываясь на имеющихся акустических данных, была рассчитана скорость глубоководного течения в Курильской котловине в интервале глубин от 1100 до 2200 м, которая составила 7 см/с.The relevance. Seeps - areas of bubble emanation of natural gases from the seabed into the water column and the atmosphere - were found in different World Ocean locations at depths from tens meters to several kilometers. Direct measurements of gas samples carried by rising bubbles have shown that they contain more than 80 % of the second most important greenhouse gas - methane. The emissions of which, due to the re-preservation of deposits of natural hydrocarbons (for example, arctic or oceanic gas hydrates), can acquire a largescale character and cause irreversible climatic changes. Detection of seeps in the water column may be the first indication of the presence of gas hydrates in the sediment. Therefore, assessment of the methane fluxes carried by seeps into the water column, detection of their variability, and identification of new regions of seepage are in the forefront of the marine and climate-related sciences. Moreover, understanding of deep seepage mechanism from disturbed gas hydrates observed in the Sea of Okhotsk is crucially important for study of methane ebullition from the shelf slope hydrates in the East Siberian Arctic seas - source of atmospheric methane of global significance. The main aim: to assess the quantity of methane transported by methane seeps from a depth of 2220 m into the water for the period from 2012 to 2018; to identify the relationship between the flux of methane from this area and deep earthquakes that occurred in the Sea of Okhotsk; based on the available acoustic data, estimate the speed of deep-water currents in the seepage areas. Objects: seeps, which forms hot spots of anomalously high dissolved methane concentrations in the water column-atmosphere. Methods. Acoustic observations of the seeps were carried out using a complex unit installed on board of the RV «Academic M. A. Lavrentiev», which is based on modernized ship echosounders Sargan-EM, ELAC LAZ-72, Sargan-GM sonars and a multichannel system for digital recording of acoustic signals. Methane flux from the seabed into the water column was estimated using methods based on measuring the profiles of the sound backscattering at frequencies above the resonant frequency of the escaping bubbles. Results. In 15 expeditions accomplished in the Sea of Okhotsk, 1168 individual seeps were recorded in the depth interval from 46 to 3330 m. To identify the patterns of the spatial distribution of seeps, a graph was plotted as their number vs the depth of their detection. The resulting graph shows five local maximums associated with the features of the bottom relief and the zone of stability of methane gas hydrate. The deepest known seeps in the Sea of Okhotsk were found in the northern and eastern slopes of the Kuril Basin at depths of 3330 and 2220 m, respectively. The seepage data were characterized by strong temporal variability, confined to tectonic activity in this region, causing a change in the intensity of the methane transported by them in the form of rising bubbles. It is shown that the flow of methane released by one of the seeps varied three orders in the range from 5 mmol/s to 5 mol/s. Based on the available acoustic data, the speed of the deep-water current in the Kuril Basin, ~7 cm/s, was calculated in the depth interval from 1100 to 2200 m

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