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 экосистемах : 
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 формирования 
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 мо-
ниторинга водных объектов и охраны окружающей среды. Она может быть полез-
на 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 ге-
незис и превращение его в газы после смерти.

В. И. Вернадский

На современном этапе развития цивилизации одной из актуальных 

экологических проблем, стоящих перед мировым сообществом, явля-
ется глобальное изменение климата, которое, как полагают [МГЭИК, 
2007; EPA, 2010], обусловлено увеличением содержания в атмосфере 
Земли «парниковых» газов, среди которых вторым по значимости яв-
ляется метан. Помимо потепления климата, увеличение метана в атмо-
сфере приводит к активизации процессов разрушения озонового слоя 
стратосферы и формированию тропосферных озоновых аномалий. 
Концентрация метана в атмосфере с момента начала активной антро-
погенной деятельности удвоилась [МГЭИК, 2007] и продолжает на-
растать 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 ограниче-
нии антропогенной эмиссии метана в атмосферу Земли, что наклады-
вает определенные политические и экономические обязательства на 
нашу страну. Подчеркнем, что авторы не являются приверженцами 
какого-либо одностороннего подхода к объяснению причин глобаль-
ного изменения климата и стоят на позиции, согласно которой этот 
феномен рассматривается как отклик глобальной экосистемы Земли 
на аддитивное однонаправленное воздействие на нее природных и ан-
тропогенных факторов и процессов [Федоров и др., 2015].

Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах

Поверхность суши является зоной, характеризующейся наивысшими 
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 [Гарь-
куша, 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 выветрива-
ния горных пород, в составе промышленных и хозяйственно-бытовых 
сточных вод, а также с подземными водами и атмосферными осадка-
ми; 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: образова-
ние и окисление метана соответственно метаногенными и ме та но троф-
ны 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, гидроло-
гический режим), так и антропогенные, накладывающиеся на природ-
ные 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, Фе-
доров, 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 посвя-
щены 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 исследо-
ваний, научные консультации и критическую оценку результатов рабо-
ты. Особую благодарность выражаем старшему научному сотруднику 
ФГБУ «ГХИ» Наталье Сергеевне Тамбиевой за огромный вклад в раз-
работку методологии проведения экспериментальных исследований 
по определению концентраций и потоков метана, за возможность на-
учного общения и дискуссии.

Авторы надеются, что представленный в монографии аналитиче-

ский обзор и обобщение данных литературных источников и собствен-
ных материалов по влиянию рассматривемых факторов на уровень 
концентраций и потоков метана в водоемах и водотоках будет способ-
ствовать 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 № 19-
05-50097 (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, валентные 
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 хи-
мическими 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 сво-
бодной энергии (–12,14 ккал/моль), минимальными значениями энталь-
пии — теплосодержания (–17,89 ккал/моль) и теплоемкости при постоян-
ном 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). Ме-
тан сжижается при очень низкой температуре (–161,49 °C), а затверде-
вает 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 темпе-
ратуры 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
[Справоч-
ник хими-
ка, 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 раствори-
мость 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 гидро-
статического давления и падает при увеличении концентрации солей.

На растворимость метана в воде значительное влияние оказывает 

наличие в ней примесей. С увеличением минерализации воды раство-
римость 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 соле-
ность, 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 кол-
лоидных частицах [Алексеев и др., 1978]. Это имеет большое значение 
для пластовых вод нефтяных и газовых месторождений. Метан хоро-
шо растворяется в нефти, причем его растворимость растет с повыше-
нием 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-

Глава 1. Свойства метана и его распространение в природе 
11

мые гидратами или клатратами. 1 м3 гидрата метана может содержать 
220 м3 газа. Для гидрата метана при давлении 0,1 МПа температура 
разложения равна 29 °C; с ростом давления она повышается, благодаря 
чему такие соединения могут сохраняться в условиях вечной мерзлоты 
и в океанских глубинах.

1.1.2. Химические свойства метана

Благодаря особенностям устройства молекулы, метан при обыч-

ных температурах с большинством химических элементов не реагирует 
вовсе или реагирует очень медленно [Алексеев и др., 1978]. Так, при 
небольших температурах метан устойчив к воздействию кислорода, в 
целом он химически нейтрален и не поглощается щелочами и слабыми 
кислотами. Это объясняется тем, что большинство химических реак-
ций метана начинается с разрыва С–Н, сопровождающегося поглоще-
нием энергии, то есть проходящего только при нагревании.

Температура воспламенения метана 695–742 °C. Метан горит почти 

незаметным синеватым некоптящим пламенем, теплота сгорания ме-
тана 11 994 ккал/кг. Процесс окисления метана идет в несколько ста-
дий и в общем виде выглядит так:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О. 
(1)

Таким образом, для полного окисления одного объема метана тре-

буется два объема кислорода.

Метан образует с воздухом взрывоопасную смесь. Пределы взрыво-

опасной концентрации метана в воздухе составляют от 5,35 до 14,9 % по 
объему. Смесь, содержащая менее 5 % метана, сгорает чистым пламе-
нем без взрыва, смесь с содержанием метана 15 % и выше не взрывается 
и не поддерживает горения из-за недостатка кислорода. Наибольшая 
сила взрыва достигается при содержании метана в 9,5 %, так как в этом 
случае в реакцию горения вовлекается весь атмосферный кислород 
[Зорькин и др., 1986]. При соприкосновении метано-воздушной сме-
си с источником высокой температуры ее воспламенение происходит с 
некоторой задержкой, которая резко сокращается при наличии в смеси 
водорода, оксида углерода (СО) или сероводорода.

При обычных для атмосферы Земли температурах окисление метана 
может происходить с участием химически активных молекул (озона 
(О3), оксидов азота и радикалов типа ОН –), а также с участием специализированных 
живых организмов.

Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах

В термодинамических условиях земных недр окисление метана за-

трудненно большими давлениями и дефицитом кислорода, благодаря 
чему метан может образовывать крупные скопления, существующие на 
больших глубинах при высокой температуре.

При относительно низких давлениях и высоких температурах, при 

взаимодействии с водяным паром, а также со смесью СО2+Н2O может 
происходить конверсия метана. При этом получаются следующие 
продукты:

СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2, 
(2)

СН4 + 2Н2О ↔ СО2 + 4Н2. 
(3)

Обе реакции идут в обе стороны, при различных температурах меняется 
соотношение между начальными и конечными продуктами реакции (
табл. 4). Первая реакция сопровождается большим поглощением 
тепла (50600 ккал/моль).

Процесс конверсии метана с водяным паром способен протекать 

в две стадии: при высокой (900–1000 °C) температуре и некотором избытке 
водяного пара. Помимо водорода получается СО, который переходит 
в СО2 при охлаждении до 500 °C. Конверсия метана может проходить 
и с чистым СО2:

СН4 + СО2 ↔ 2СО + 2Н2, 
(4)

СО2 + Н2 ↔ СО + Н2О.  
(5)

Таблица 4

Состав равновесной газовой смеси, при взаимодействии метана 

с водяным паром, % [Фастовский, 1947]

Температура, °C
СН4
СО
СО2
Н2

330
100
–
–
–

470
75,5
2
2,6
19,9

544
48,4
4,1
3,9
43,9

600
29,7
4,6
5,1
60,6

700
11,5
15,0
2,7
70,8

800
2,0
23,4
–
74,6

940
0,9
24,3
–
74,8

980
0,6
24,7
–
74,7

1034
0,3
24,8
–
74,9

Примечание. Исходная смесь — 43 % метана и 57 % водяного пара.