Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ  

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РОСТОВСКОЕ ОБЛАСТНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РУССКОГО  

ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА

Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Фёдоров

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ 

КОНЦЕНТРАЦИЙ МЕТАНА 
В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Монография

УДК [556+551.46]:574(075.8)
ББК 26.22+26.221 я73
   Г 21

 
Гарькуша, Д. Н.

Г 21  
Факторы формирования концентраций метана в водных экосисте
мах : монография / Д. Н. Гарькуша, Ю. А. Фёдоров ; Южный федеральный университет. — Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного 
федерального университета, 2021. — 366 с.

ISBN 978-5-9275-3634-4 
DOI 10.18522/801274322

Монография посвящена важной проблеме современности – изучению форми
рования концентраций и потоков одного из главных «парниковых» газов – метана. 
В монографии проанализированы и обобщены данные литературы и собственные 
материалы, касающиеся влияния различных природных и антропогенных факторов на образование, окисление и концентрации метана в водных экосистемах, а 
также его эмиссию в системе «донные отложения – вода – атмосфера». 

Монография представляет интерес для научных работников, преподавателей, 

студентов и специалистов в области гидрологии, океанологии, экологического мониторинга водных объектов и охраны окружающей среды. Она может быть полезна также студентам высших учебных заведений соответствующих специальностей 
и служить в качестве учебного пособия.

ISBN 978-5-9275-3634-4 
УДК [556+551.46]:574(075.8) 

 
ББК 26.22+26.221 я73

 
© Гарькуша Д. Н., Фёдоров Ю. А., 2021

 
© Южный федеральный университет, 2021

 
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2021

Печатается по решению Комитета по естественнонаучному 
и математическому направлению при Ученом совете ЮФУ 

(протокол № 4 от 3 июня 2020 г.)

Рецензенты:

доктор географических наук, профессор,  

ведущий метеоролог ФГБУ «Северо-Кавказское управление 
по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»  

П. М. Лурье;

доктор географических наук, профессор Института наук о Земле ЮФУ 

В. Т. Богучарсков

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...................................................................................................5

Глава 1. Свойства метана и его распространение в природе ..................8

1.1. Физико-химические свойства метана ..........................................8

1.1.1. Физические свойства метана ...................................................9
1.1.2. Химические свойства метана .................................................11

1.2. Метан в оболочках Земли ............................................................13

Глава 2. Физико-географические факторы ...........................................17

2.1. Рельеф, гранулометрический состав и литологические типы 

донных отложений .......................................................................17

2.2. Климат и метеоусловия ...............................................................23

2.2.1. Температура ...........................................................................24
2.2.2. Ветровые условия ...................................................................35
2.2.3. Атмосферные осадки .............................................................42
2.2.4. Атмосферное давление ..........................................................54

2.3. Почвы как фактор формирования уровня содержания метана 

в водных экосистемах ..................................................................56

Глава 3. Геологические факторы ...........................................................83

3.1. Влияние тектонического режима ................................................84
3.2. Эмиссия метана наземными и морскими геологическими 

источниками ................................................................................85

3.2.1. Грязевые вулканы в нефтегазоносных осадочных регионах ...88
3.2.2. Выделение метана в нефтегазоносных осадочных регионах ...92
3.2.3. Подводные выходы метана ....................................................96
3.2.4. Магматические вулканы, разломы и другие 

геотермальные источники ...................................................100

3.2.5. Изотопный состав ................................................................104
3.2.6. Современные глобальные выбросы 

геологическими источниками .............................................105

3.2.7. Факторы, влияющие на эмиссию метана геологическими 

источниками, и прогнозные сценарии выбросов ...............107

3.3. Подземные воды как фактор формирования уровня 

содержания метана в водных экосистемах ...............................109

3.3.1. Источники метана в подземных водах ................................111
3.3.2. Механизмы миграции метана в подземные воды ...............113

3.3.3. О влиянии гидроразрыва пласта на концентрации  

метана в подземных водах ....................................................115

3.3.4. Влияние подземных вод на формирование уровня 

содержания метана в водных экосистемах ..........................122

3.4. Выветривание горных пород и абразия берегов .......................132

Глава 4. Биологические факторы ........................................................140

4.1. Микробиологическое образование и окисление метана 

в водных экосистемах ................................................................141

4.1.1. Метаногенез в водных экосистемах ....................................141
4.1.2. Микробиологическое окисление метана в водных 

экосистемах ..........................................................................176

4.2. Водные растения ........................................................................191

4.2.1. Регулирование растениями физико-химических 

условий в донных отложениях и ризосфере почв 
и транспортировка метана ...................................................191

4.2.2. Немикробиологическое образование метана в растениях ...208

4.3. Животные организмы ................................................................217

Глава 5. Физико-химические факторы ...............................................226

5.1. Растворенный кислород и окислительно-восстановительные 

условия .......................................................................................226

5.2. Кислотно-щелочные условия ...................................................234
5.3. Органический углерод ...............................................................238
5.4. Содержание азота и фосфора ....................................................241
5.5. Минерализация и соленость .....................................................243

Глава 6. Антропогенные факторы .......................................................256

6.1. Антропогенное загрязнение вод, зарегулирование стока 

и водопотребление .....................................................................256

6.2. Связь метана с загрязнением нефтепродуктами ......................264
6.3. Связь метана и тяжелых металлов в водных экосистемах ........267

6.3.1. Связь метана и ртути ............................................................269
6.3.2. Формирование концентраций метана в условиях 

мощного загрязнения кадмием и влияние процессов 
цикла метана на эффективность его сорбции и выведения 
взвешенным веществом в донные отложения ....................273

Заключение ..........................................................................................281

Библиографический список использованных источников ................287

ВВЕДЕНИЕ

Самое важное явление в химической истории 
живого вещества — это его газообразный генезис и превращение его в газы после смерти.

В. И. Вернадский

На современном этапе развития цивилизации одной из актуальных 

экологических проблем, стоящих перед мировым сообществом, является глобальное изменение климата, которое, как полагают [МГЭИК, 
2007; EPA, 2010], обусловлено увеличением содержания в атмосфере 
Земли «парниковых» газов, среди которых вторым по значимости является метан. Помимо потепления климата, увеличение метана в атмосфере приводит к активизации процессов разрушения озонового слоя 
стратосферы и формированию тропосферных озоновых аномалий. 
Концентрация метана в атмосфере с момента начала активной антропогенной деятельности удвоилась [МГЭИК, 2007] и продолжает нарастать в настоящее время, что побудило научное сообщество заняться 
инвентаризацией и оценкой существующих источников атмосферного 
метана, а также поиском путей ограничения его эмиссии. Российская 
Федерация подписала ряд международных соглашений об ограничении антропогенной эмиссии метана в атмосферу Земли, что накладывает определенные политические и экономические обязательства на 
нашу страну. Подчеркнем, что авторы не являются приверженцами 
какого-либо одностороннего подхода к объяснению причин глобального изменения климата и стоят на позиции, согласно которой этот 
феномен рассматривается как отклик глобальной экосистемы Земли 
на аддитивное однонаправленное воздействие на нее природных и антропогенных факторов и процессов [Федоров и др., 2015].

Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах

Поверхность суши является зоной, характеризующейся наивысши
ми концентрациями вещества и солнечной энергии, наибольшей интенсивностью биогенных процессов, сферой активной хозяйственной 
деятельности человека [Никаноров, 2008]. Все это порождает огромное 
разнообразие условий и факторов, влияющих на процессы формирования уровня содержания метана в поверхностных водах суши [Гарькуша, 2018; Гарькуша, Федоров, 2010а, 2014а, б, 2015а, б, в, г, 2016, 
2017а, б, 2018а, б, 2019; Гарькуша и др., 2010, 2014а, 2015а, б, в, 2016а, 
2018а, б; Федоров, Гарькуша, 2007, Федоров и др., 2000, 2001, 2002а, б, 
2004, 2005, 2006, 2007, 2012, 2018].

К прямым факторам, непосредственно формирующим уровень 

содержания метана в водной толще, нами отнесены [Гарькуша и др., 
2015в; Гарькуша, Федоров, 2017б]: образование и окисление метана 
соответственно метаногенными и метанотрофными археями в водной 
толще; эмиссия метана на границах раздела «вода — атмосфера» и 
«дно — вода», в том числе из сипов, вулканов, разломов и т. д.; поступление метана с поверхности водосбора, в том числе с притоками, с 
талыми и ливневыми водами, вследствие эрозии почв и выветривания горных пород, в составе промышленных и хозяйственно-бытовых 
сточных вод, а также с подземными водами и атмосферными осадками; некоторое количество метана может поступать в водную толщу при 
эрозии дна и абразии берегов. К прямым факторам, формирующим 
уровень содержания метана в донных отложениях, отнесены: образование и окисление метана соответственно метаногенными и ме та но трофны ми археями непосредственно в донных отложениях; эмиссия метана 
из нижезалегающих горизонтов, в том числе глубинных источников 
(месторождений газа и нефти) и на границах раздела «дно — вода».

К косвенным факторам формирования уровня содержания метана, 

то есть действующим через посредство прямых факторов, отнесены как 
природные факторы (и в первую очередь это климат, рельеф, гидрологический режим), так и антропогенные, накладывающиеся на природные факторы и процессы [Гарькуша и др., 2015в; Гарькуша, Федоров, 
2017б].

Вышеперечисленные факторы можно подразделить на следующие 

группы: физико-географические, геологические, физико-химические, 
биологические и антропогенные [Гарькуша и др., 2015в; Гарькуша, Федоров, 2017б]. Детальному рассмотрению роли и значимости данных 
факторов в формировании уровня содержания метана и его потоков в 

 Введение 
7

водной толще и донных отложениях водных экосистем и будут посвящены главы настоящей монографии.

Авторы благодарят сотрудников Института наук о Земле Южно
го федерального университета, а также Гидрохимического института 
(ФГБУ «ГХИ») за помощь при проведении экспедиционных исследований, научные консультации и критическую оценку результатов работы. Особую благодарность выражаем старшему научному сотруднику 
ФГБУ «ГХИ» Наталье Сергеевне Тамбиевой за огромный вклад в разработку методологии проведения экспериментальных исследований 
по определению концентраций и потоков метана, за возможность научного общения и дискуссии.

Авторы надеются, что представленный в монографии аналитиче
ский обзор и обобщение данных литературных источников и собственных материалов по влиянию рассматривемых факторов на уровень 
концентраций и потоков метана в водоемах и водотоках будет способствовать более глубокому пониманию процессов, обусловливающих 
формирование и динамику газового состава вод и донных отложений 
водных экосистем.

Работа выполнена при финансовой поддержке проектов РФФИ № 19
05-00770 (Определение физико-химических параметров), РФФИ № 1905-50097 (Проведение экспедиционных работ) и Министерства науки и 
высшего образования РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности № 0852-2020-0029 (Определение метана в почвах).

ГЛАВА 1 

СВОЙСТВА МЕТАНА И ЕГО 

РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ

1.1. Физико-химические свойства метана

Метан (СН4) — простейший представитель подгруппы алканов, или 

предельных углеводородов, также называемых метановыми. Молекула 
метана состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, а 
пространственную структуру его молекулы можно представать в виде 
тетраэдра, в вершинах которого находятся атомы водорода, а в центре — атом углерода:

Н

Н
C
Н

Н

Расстояние между атомами углерода и водорода равно 1,09 А, валент
ные углы составляют: тетраэдрический 109°, плоский 120° и линейный 
180° [Алексеев и др., 1978]. Метан характеризуется только связью С–Н 
с энергией 87 ккал/моль и содержит наибольшее число водородных 
атомов, тем самым являясь самым восстановленным углеводородом.

Метан чрезвычайно широко распространен в природе, что объясняет
ся простотой его химического устройства, а также специфическими химическими свойствами, обеспечивающими его молекуле повышенную 

Глава 1. Свойства метана и его распространение в природе 
9

устойчивость к разрушению и окислению. Так, в сравнении со всеми 
остальными углеводородами метан обладает минимальным уровнем свободной энергии (–12,14 ккал/моль), минимальными значениями энтальпии — теплосодержания (–17,89 ккал/моль) и теплоемкости при постоянном давлении (8,536 ккал/(моль · град)), максимумом энтропии (44,50 ед. 
энтропии), а также очень низкими значениями критической температуры 
(–82,4 °C) и высокими значениями критических давлений (4,58 МПа).

1.1.1. Физические свойства метана

В нормальных условиях метан — бесцветный газ без запаха. Метан 

значительно легче воздуха (плотность его по воздуху 0,5545 кг/м3). Метан сжижается при очень низкой температуре (–161,49 °C), а затвердевает лишь при – 182,48 °C.

Метан растворяется в воде и нефти. Так как молекула метана хими
чески инертна и не вступает в физико-химическое взаимодействие с 
водой, его растворимость в воде незначительна и с повышением температуры уменьшается (табл. 1).

Таблица 1

Растворимость метана в дистиллированной воде  

при нормальном давлении

Растворимость метана, мл/л, при температурах
Источник

0 °C
5 °C
10 °C
15 °C
20 °C
25 °C
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
80 °C
100 °C

55,6
48,0
41,8
36,9
33,1
30,1
27,6
23,7
21,3
–
–
17,0
[Справочник химика, 1964]

55,6
48,0
41,8
36,9
33,1
30,1
27,6
23,7
21,3
19,5
17,6
17,0
[Краткий 
справочник 
по химии, 
1965]

При высоких давлениях растворимость метана в воде сильно увели
чивается, а ее зависимость от температуры принимает несколько иной 
ход: в интервале низких температур с увеличением температур растворимость метана падает, а при высоких температурах (начиная от 90–100 °C) 
и в перегретых водах растворимость снова увеличивается (табл. 2). Кроме 
этого, растворимость метана растет с глубиной при повышении гидростатического давления и падает при увеличении концентрации солей.

На растворимость метана в воде значительное влияние оказывает 

наличие в ней примесей. С увеличением минерализации воды растворимость метана снижается (табл. 3).

Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах

Таблица 2

Растворимость метана в воде при высоких давлениях 

и температуре, мл/л (составлено авторами по материалам 

[Намиот, Бондарева, 1963])

Давление, 

МПа

Температура, °C

20
40
60
80
100
120
140
160

2,5
750
600
490
450
430
460
520
650

10
2430
1950
1700
1570
1580
1690
1940
2390

25
4200
3470
3130
2990
3140
3470
3950
4770

50
–
4960
4580
4460
4710
5300
6210
7830

Таблица 3

Растворимость метана в воде с различной условной соленостью 
при температуре 20 °C, мл/л (составлено авторами по материалам 

[Намиот, Бондарева, 1963; Зорькин, 1973])

Условная соленость, г/л NaCl

Температура, °C
Давление, МПа

10
25

–
20
2430
4200

20
20
2098
3740

100
20
1322
2407

200
20
791
1443

300
20
478
876

Наличие в растворе других газов также может влиять на раствори
мость метана. Хорошо растворимые в воде газы, например СО2 , могут 
вытеснять метан из растворов, поэтому их высокая концентрация в 
воде резко ограничивает его растворимость.

Наличие в воде органических примесей, образующих с ней кол
лоидные растворы, таких как бензол или толуол, сильно повышает 
растворимость в ней метана, что связанно с его растворением в коллоидных частицах [Алексеев и др., 1978]. Это имеет большое значение 
для пластовых вод нефтяных и газовых месторождений. Метан хорошо растворяется в нефти, причем его растворимость растет с повышением давления и температуры, а также с облегчением фракционного 
состава нефти. Метан также может растворять воду и нефть, образуя 
газовые растворы и тем самым существенно облегчая их миграцию в 
пластах.

При низких температурах, особенно под давлением, метан способен 

образовывать соединения с общей формулой СnН2n+2 · n Н2О, называе