(Из краткого отчета начальника экспедиции д.г.-м.н. И.П.Семилетов)

Период работ: 9 сентября — 15 ноября 2020 г. 
Начальник экспедиции: И.П. Семилетов
Капитан судна: Ю.Н. Горбач
Район работ: Моря Российской Арктики (Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское)
Научный состав: 69 человек


     Темы и проекты исследований

     Экспедиция организована для выполнения задач в соответствии с «Договором о проведении совместных исследований» между ТОИ ДВО РАН  и ИО РАН от 24.08.2020 г. № 3-ГЗ/НИР-20, с целью изучения изменчивости параметров геосистемы "литосфера-гидросфера-атмосфера" сибирского шельфа (моря Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское), в тихоокеанском секторе Арктики и Субарктики (Чукотское море): физические, химические, геофизические и геологические аспекты, согласно:
- пунктов государственных заданий Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы (пункт № 75 Мировой океан – физические, химические и геологические процессы, геология, геодинамика и минеральные ресурсы океанской литосферы и континентальных окраин; роль океана в формировании климата Земли, современные климатические и антропогенные изменения океанских природных систем);
- научной программы международной экспедиции «ISSS-2020 The International Siberian Shelf Study» (см. логотип экспедиции на рис. 1 в Приложении 1);
- планов НИР: 
- "Изучение изменчивости параметров арктической системы "литосфера-гидросфера-атмосфера" в тихоокеанском секторе Арктики и Субарктики: физические, геофизические, биогеохимические и геологические аспекты" (№ гос. рег. АААА-А17-117030110039-2);
- "Влияние природных и антропогенных факторов на биогеохимические процессы и состояние биоты в прибрежных экосистемах" (№ гос. рег. АААА-А17-117030110038-5);
- "Проблемы образования и эволюции литосферы океанов и континентов" (№ гос. рег. 0137-2018-0004);
- "Биогеохимическая эволюция природных сред в условиях антропогенного воздействия: от деградации к восстановлению" (№ гос. рег. 0137-2018-0006);
- "Осадочная геохимия плейстоцена подводных окраин континентов" ((№ гос. рег. 0137-2018-0008);
- "Фундаментальные и прикладные аспекты развития комплекса методов анализа природных, техногенных и космических объектов, диагностика радиационных эффектов и компьютерное моделирование" (№ гос. рег. 0137-2018-0018);
-  "Динамика морских экосистем в условиях глобальных климатических изменений и антропогенного воздействия (тема № 0268-2018- 0003); 
- "Биоразнообразие Мирового океана: состав и распределение биоты" (тема № 0268-2018-0007). 
- программам Президиума РАН (для выполнения фундаментальных научных исследований):
- "Исследование процессов транспорта и трансформации углерода в арктической геосистеме "суша-шельф", проект 15-I-1-044;
- "Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации", проект 1.1.13. "Разработка новых методов изучения и моделирования распределения и динамики состояния подводной мерзлоты и эмиссии метана из морей Восточной Арктики", 
- в рамках деятельности Международной лаборатории углерода арктических морей на научно-образовательной платформе Томского политехнического университета (ТПУ) и ТОИ ДВО РАН (продолжение работ по гранту Правительства РФ "Сибирский арктический шельф как источник парниковых газов планетарной значимости: количественная оценка потоков и выявление возможных экологических и климатических последствий", № 14.Z50.31.0012).
- по гранту РНФ "Динамика транспорта и трансформации углерода в арктической системе суша-шельф-атмосфера в условиях глобального потепления и деградации мерзлоты" (проект № 15-17-20032);
- по гранту РФФИ "Динамика неорганической составляющей углеродного цикла и потоков СО2 в системе океан — атмосфера на шельфе и материковом склоне морей Восточной Арктики: новые климатические реалии" (№ 18-05-00559а);
- по гранту РНФ "Новый методический подход к количественной оценке пузырьковой эмиссии метана в водную толщу и атмосферу акваторий морей Восточной Арктики" (№ 18-77-10004);
- по гранту РФФИ "Выявление связи между некоторыми литологическими и биогеохимическими параметрами, характеризующими транспорт и трансформацию углерода наземного происхождения на Восточно-Сибирском арктическом шельфе" (№ 18-35-00572);
- "Диагенетическая мобилизация газов и тяжелых металлов из верхнеплейстоцен-голоценовых осадков устьевых областей Оби, Енисея и Лены, а также примыкающих к ним шельфовых акваторий Карского моря и моря Лаптевых" (программа РАН 1.49 "Взаимодействие физических, химических и биологических процессов в Мировом океане", № 0137-2018-0031);
- "Развитие биосферы и зарождение жизни на ранней Земле. Взаимосвязь с изменением климата" (программа РАН 1.17 "Эволюция органического мира. Роль и влияние планетарных процессов", № 0137-2018-0035);
- "Формы наноструктур углерода и условия их возникновения в природных процессах" (программа Президиума РАН I.17 "Эволюция органического мира. Роль и влияние планетарных процессов", № 0137-2018-0036);
- "Интеллектуальная математическая обработка и нейронные сети — инструмент консолидации результатов анализа методами МС- и АЭС-ИСП для достижения высоких метрологических характеристик" (программа Президиума РАН I.36 "Фундаментальные основы и новые эффективные методы химического анализа и исследования структуры веществ и материалы" (№0137-2018-0045).

    Задачи экспедиции

1. Выявление количественных пространственно-временных изменений потоков метана из донных отложений в водную толщу и атмосферу в зонах мегасипов пузырькового метана
2. Уточнение масштабов и динамики возрастающей массированной эмиссии метана вследствие деградации подводной мерзлоты.
3. Выявление генезиса основных компонентов газожидкостного геологического флюида, разгружающегося в рифтовых зонах и за их пределами.
4. Изучение геологического строения верхней части осадочной толщи и сейсмического режима шельфа в районах массированных газопроявлений и развития подводной мерзлоты. 
5. Изучение механизмов вовлечения древнего органического вещества (ранее захороненного в мерзлоте) в современные биогеохимические циклы.
6. Выявление изменений во взаимодействии основных компонентов климатической системы в Арктике, таких как деградация мерзлоты и сопутствующего ей разложения органического вещества, выделения метана и двуокиси углерода.
7. Изучение судьбы терригенного углерода на арктическом шельфе для решения седиментологических, палеоклиматических и палеоокеанологических задач (реконструкция изменений палеопродуктивности и ледовитости вод арктических и субарктических морей в послеледниковое время позднечетвертичного периода).
8. Изучение состояния гидробиологических систем.
9. Характеристика микробных сообществ и определение активности микробных процессов циклов углерода, метана и серы в донных осадках районов газопроявления. 
10. Геофизические исследования осадочной толщи и морфоскульптурного рельефа дна.
11. Подъем донных сейсмографов МПССР, установленных на полигонах и разрезах в 2019 г., кратковременные постановки донных сейсмографов.
12. Биогеохимические исследования, изучение состава углеводородов, тяжелых металлов в водной толще и донных осадках.
13. Исследование донных осадков с позиций неорганической химии.
14. Литолого-фациальные исследования. 
15. Радиоэкологические и радиохимические исследования. 
16. Изучение и оценка степени асидификации морской воды и влияние данного процесса на бентическое сообщество и экологическое состояние арктических морей. 
17. Изучение изменчивости гидрологического режима акваторий в различных временных масштабах.
18. Оценка современного геоэкологического состояния исследуемых акваторий, в том числе изучение состава, распределения и путей миграции и источников микропластика в водной толще, морских организмах и донных осадках;

     Объем выполненных работ 

    Всего выполнено 69 комплексных океанографических станций

   Основные научные результаты

        Гидрофизика. На шельфе морей Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского оценены пространственные масштабы и вертикальная структура водных масс Обнаружено, что в период наблюдений линза распресненных вод (25-26 епс) из Карского моря распространялась в слое 20-25 м через пролив Вилькицкого на восток (среднеклиматические пространственные размеры ~800 км в зональном направлении). Распресненная линза морей Лаптевых и Восточно-Сибирского прослежена на существенно большей акватории (зональные и меридиональные масштабы составляли 1000 и 600 км, соответственно). В конце октября на выходе из Обской губы зарегистрирован аномально большой градиент солености. На глубине в 0.5 м слое 17 м отмечен аномальный скачок солености от 20 епс до 30 епс.
       Биогидрохимия. Получены уникальные данные об изменчивости гидрохимических характеристик в области влияния материкового стока и поровых вод районах газовых  сипов. Собран репрезентативный материал о распределении микропластика, позволяющего оценить уровни его качественного и количественного содержания в водах арктических морей. В настоящее время образцы анализируются в стационарных лабораториях, как например, экстрагированного растворенного органического вещества воды и донных осадков физико-химическими методами структурно-группового и молекулярного анализа (спектроскопия ЯМР, масс-спектрометрия сверхвысокого разрешения, оптическая спектроскопия). 
Радиохимия. Показано, что радон – радиоактивный маркер рек Оби, Таза и тп., тогда торон – маркер стока рек Енисея, Пясины, как и р. Лены. На основе гамма-спектрометрического анализа будет определена связь содержания радона и торона (продуктов эманации Ra-226 и Ra-224) из донных осадков в воду. Показано, что пониженная почти на порядок концентрация этих элементов в образцах 2020 г. по сравнению с результатами наблюдений 2019 г., может объясняться влиянием таких экзогенных процессов как раннее льдообразование, и возможно, деградации подводной мерзлоты.
     Экологический мониторинг. Произведен отбор проб донных отложений и воды, в том числе из метановых сипов, для последующего целевого и нецелевого скрининга органических ксенобиотиков методами масс-спектрометрии высокого и низкого разрешения. Выполнен отбор проб поверхностной воды для анализа распределения тяжелых металлов.
Газогеохимиядонных донных осадков и морской воды. Подтверждены и картированы ранее выявленные долговременные пространственные аномалии метана, обнаружены новые участки газопроявления со дна. В масштабах внутрисуточной изменчивости изучены тренды поведения концентраций метана при штормовом перемешивании, внутри и на периферии газовых струй. Впервые выполнена высокопрецизионная газохимическая съемка концентраций метана и СО2 в верхнем слое воды по маршруту переходов судна, в том числе в областях пузырьковой разгрузки метана, Дискретность до 60 измерений в минуту.
     Взаимодействие океан-атмосфера. С помощью современных высокоточных анализаторов получены новые данные о локализации очагов повышенного газопроявления на арктическом шельфе. Показано, что кратковременные аномалии содержания метана с длительностью от секунд до минут, указывают на существование поблизости их мощных очагов. Медленные (часовые и суточные) изменения приводной концентрации метана отражают реакцию на его уровень в планетарном пограничном слое и изменение потока метана в атмосферу с поверхности вдоль траектории движения воздушных масс. При значительном пересыщении концентраций этого газа в воде относительно воздуха (характерны для арктического лета), поток метана в атмосферу контролируется его концентрацией в воде и скоростью ветра. Роль вариаций атмосферной концентрации метана в приводном слое на величину потока незначительно.
Геология и литодинамика. На основе фациально-генетического анализа шельфовые донные осадки можно разделить на плейстоценовые (реликтовые) и голоценовые. Последние, в свою очередь, делятся на четыре типа: влекомые наносы, терригенно-эстуарные, терригенно-мелководно-морские и фоновые терригенно-морские. Наиболее интенсивные потоки метана и углекислого газа сфокусированы на микросиповых полях диаметром до 2-3 м, где они могут достигать нескольких десятков литров в минуту. Состав газа указывает на влияние как биогенного, так и термогенного источника. 
     Донная криолитозона. Полученные результаты подтверждают представления об отрицательной температуре (-0,8…-1,4 оС) донных осадков арктического шельфа. Благодаря природной засоленности они существуют не в мерзлом, а в охлажденном состоянии (т.е. не имеют порового льда). Такие значения температуры донных отложений на шельфе арктических морей дают предпосылку ожидать наличие многолетнемерзлых пород c заглубленной кровлей. Осадки континентального склона (на примере, моря Лаптевых, глубины 200-360 м) характеризуются температурой около 0оС, вероятно вследствие отсутствия современных многолетнемерзлых пород на континентальном склоне. Значения теплопроводности поверхностных осадков варьируют в пределах 20% и контролируются их влагосодержанием, степенью литификации (плотностью, пористостью) и гранулометрическим составом. Средние значения теплопроводности и объемной теплоемкости для верхнего 25 см слоя составляют 1,03 Вт/(м·К) и 2,79 кДж/(м3·К), соответственно. Полученные результаты теплофизических характеристик донных отложений в совокупности со значениями температуры являются крайне важными параметрами для моделирования эволюции мощности многолетнемерзлых пород на арктическом шельфе с целью выхода на современные глубины залегания ее кровли, а также оценку возможности существования внутримерзлотных газогидратных образований. Выявлены вертикальные отличия физико-химических характеристик (Eh, pH) поровой воды донных отложений трех арктических морей. Верхний окисленный слой выделяется положительными значениями Eh и значениями pH в пределах 7. Под ним, где содержание кислорода лимитировано, наблюдаются отрицательные значения окислительно-восстановительного потенциала Eh, а значения pH достигают 8. 
Рассмотренные параметры будут определять верхнее граничное условие и отвечать за теплообмен пород субаквальной криолитозоны с вышележащими водными массами при тепловом моделировании. Для получения дополнительных характеристик донных отложений арктического шельфа были отобраны грунтовые монолиты с целью определения их засоленности, температуры начала замерзания, условий стабильности гидратов и т.д. В лабораторных условиях планируется изучение гранулометрического, минерального и изотопного состава), в том числе и в связи с аутигенной минерализацией. 
      Гидробиология. Отобран биологический материала для исследований фитопланктона, мейобентоса, зообентоса и зоопланктона. Построены предварительные карты распределения микропластика в донных отложениях, а также распределения биомаркеров сообществ метановых сипов (погонофор). Отобраны образцы различных стадий развития погонофор в арктических морях, их симбионтов и тканей для изотопного анализа. Дополнительно отобран материал для описания сообществ эпифауны и эффекта биообрастания на примере донных сейсмических станций. Впервые были поставлены эксперименты по исследованию биообрастателей на твердых субстратах в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море. Образцы переданы для дальнейшей обработки в стационарные лаборатории. 
     Гидроакустика и геоакустическое картирование рельефа дна. С этими видами работ пройдены >4900 миль, 330 из которых на полигонах в районах работ. Выполнены 335 пересечений курса судна с сипами. Впервые установлены 33 новых сипа. У бровки восточно-сибирского шельфа изучены 9, из них впервые – 8. Межгодовой мониторинг сипов свидетельствует о сохранении активности и по сей день. В связи с повышенной газонасыщенностью районов сипов, здесь следует ожидать опасные геолого-морфологические процессы. Результаты гидроакустических исследований позволили выбрать точки пробоотбора колонок донных осадков. 
     Донная сейсмика. Найдены и подняты на борт судна две донных сейсмостанции из трех, установленных в прошлом году (рейс АМК-78). Потеря одной сейсмостанции, видимо, обусловлена либо существенным коррозийным повреждением скоб на контакте разных блоков устанавливаемой на дно системы, либо ошибками в соотношениях плавучесть-балласт. В рейсе 2021 г. планируется попытка траления утерянной сейсмостанции. В поднятых станциях электроника осталась неповрежденной, затеканий не было, сейсмические записи длительностью 3-4 месяца сохранились. Предварительная обработка двухмесячного отрезка записей показала наличие большого количества (150) полезных сигналов от локальных микроземлетрясений. С мареографа RBR успешно считаны записи, накопленные в течение 363 суток. Установлено 7 донных сейсмостанций на сезон 2020-2021 гг.: шесть МПССР и одна ГЕОНОД. Также установлено три мареографа RBR в тех же точках, что и некоторые МПССР. Во время работ были учтены недостатки прошлогодней постановки. Для получения дальнейших результатов и научных выводов требуется длительная обработка полученного объема данных.
     Дистанционное зондирование поверхности океана. Собран уникальный массив экспериментальных данных, позволяющий значительно продвинуться в разработке новых и совершенствовании имеющихся моделей для валидации спутниковых данных радио- и оптического диапазонов, а также для выявления признаков возможных природных биогеохимических процессов по полям оптических данных, измеренных с борта судна дистанционными и контактными средствами. Собранные массивы данных могут использоваться для диагностики поверхностных гидрофизических процессов (зоны гидробиологических фронтов, неоднородные течения, обрушения волн), обнаружения и идентификации сликов различной природы и происхождения, метановых сипов (за счет модуляции поверхностного волнения восходящей струей пузырей), процессов льдообразования; регистрации и анализа пространственно-временной изменчивости оптических свойств воды по ее цвету, выявления источников происхождения и типа растворенных органических веществ из данных оперативных оптических измерений.  Собранный в ходе экспедиции комплекс данных не имеет аналогов, находится в соответствии с результатами сопутствующих измерений других коллективов и статистически обоснован. 
Радиофизические методы изучения океана и атмосферы. Отработана методика регистрации и обработки цифровых голограмм осадочного материала в водной толще. Получены >10000 голограмм взвешенных, оседающих частиц и пузырьков газогидратов, профили вертикального распределения биомассы зоопланктона (с помощью цифровой голографической камеры). Впервые зарегистрированы цифровые голограммы пузырьков газогидратов в сипах и построено их распределение по размерам. От сипа к сипу средний размер пузырьков колеблется в диапазоне 300÷800 мкм.
     Электроразведочное зондирование дна. Выполнены 1938 миль на геоэлектрических разрезах. Подтверждена эффективность метода ЗСБ в морских исследованиях. Выделены аномальные участки, представляющие интерес к дальнейшему изучению. 

     Список участвующих в экспедиции организаций

1. ФГБУН Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (далее ТОИ ДВО РАН).
2. ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН).
3. Стокгольмский университет, Швеция (СУ).
4. ООО «МГУ-геофизика» (МГУ-геофизика).
5. ФГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (ТПУ).
6. ФГОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» (МГУ):
- химический факультет,
- Центр морских исследований (ЦМИ МГУ).
7. ФГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (ТГУ).
8. ФГБУН Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН).
9. Cколковский институт науки и технологий (СИНТ).
10. Се́верный (Арктический) федера́льный университе́т им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск (САФУ).
11. ФГБУН Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород).