Смектит прочно зафиксировал его внутри кристаллической решетки
Когда выбросы метана из сипов проходят через морские донные отложения, они оставляют в них метку — повышают массовую долю смектита среди прочих глинистых минералов практически в 12 раз. При этом часть метана запирается внутри кристаллической решетки смектита, а это значит, что можно использовать глины, чтобы снизить выбросы метана с морского дна. Кроме того, теперь по таким маркерам будет проще искать залежи нефти и газа. Об этом говорится в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1 из Минобрнауки России. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Clay Science.
Метан — второй по значимости парниковый газ из числа антропогенных, и хотя его концентрация в атмосфере на порядки ниже, чем у CO2, его потенциал усиления потепления выше в 28–34 раза. Сейчас его вклад в потепление оценивают приблизительно в 0,5 градуса, а его содержание в воздухе в 2,6 раза превышает доиндустриальные значения. Хотя люди ответственны за две трети выбросов метана, у него есть и естественные потоки. На суши они приурочены к болотам, а в море к метановым сипам. В последние десятилетия вклад метановых сипов в выбросы начал расти, особенно в арктических морях, где они стали обнажаться из-за таяния подводной многолетней мерзлоты.
Ученые под руководством Максима Рудмина (Maxim Rudmin) из Томского политехнического университета исследовали взаимодействие глинистых минералов в донных отложениях моря Лаптевых с выбросами из метановых сипов. Они отобрали 11 кернов донных отложений в пяти зонах разгрузки (то есть выхода метана) и на шести фоновых участках морского дна во время научных экспедиций на судне «Академик Мстислав Келдыш» в 2018 и 2020 годах. Минералогический состав этих образцов определяли в лаборатории с помощью рентгеноструктурного анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии.
В зонах расположения метановых сипов донные отложения отличались в 12 раз более высоким содержанием смектита — 9,8 процента против 0,8 процента на фоновых участках. Авторы объяснили это обратным выветриванием: обычно алюмосиликаты разрушаются в кислой среде, теряя растворимые ионы, но при поднятии метана происходило его микробное окисление с образованием сульфидов, то есть резко формировалась восстановительная обстановка, которая восстанавливала Fe3+ в структуре минералов до Fe2+ и способствовала частичному растворению хлорита и каолинита и их переходу в смектит.
Образцы из сипов отличались от фоновых также значениями индекса кристалличности — структура иллита в них была лучше упорядочена. Различия наблюдались и при поэтапном нагревании на 600 градусов: образцы из сипов теряли на 1,8–2,6 процента меньше массы, чем фоновые. Это означает, что в них меньше гидратированных минералов, и дополнительно указывает на более упорядоченную структуру иллита — в местах выброса метана его кристаллические решетки менее рыхлые и меньше разбухают от контакта с водой.
При нагреве более чем на 400 градусов из образцов зоны разгрузки начинал выделяться метан, что указывает на его прочную окклюзию в межпакетном пространстве кристаллической решетки смектитов и на фиксацию в нанопорах при кристаллизации. Если бы метан был лишь физически адсорбирован на внутренней или внешней поверхности минералов, он бы отделился от них уже при нагреве на 100–300 градусов. Авторы пришли к выводу, что в восстановительных условиях, характерных для выхода метана на поверхность донных отложений, происходит обратное выветривание и стабилизация смектитовых фаз глинистых минералов. Это означает, что метан можно частично «запирать» в глинистых минералах, чтобы снизить его выбросы в атмосферу и сопровождающий их парниковый эффект. Кроме того, минералогический анализ донных отложений теперь поможет предсказывать расположение залежей нефти и природного газа.
Слабо учтенные в углеродном цикле выбросы метана происходят не только в районах таяния подводной многолетней мерзлоты, но и на суше — например, в местах добычи и транспортировки нефти и газа. Ежегодный объем таких промышленных утечек ученые оценили в восемь миллионов тонн, а происходят они преимущественно в Туркменистане, США, России, Алжире и на Ближнем Востоке.