Carbon isotope type-curves of organic matter in sediments of the Laptev Sea (seep area)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Organic carbon content combined with organic carbon isotope composition have been applied for the study of organic matter transformation in marine sediments during upward gas migration at seep areas of the Laptev Sea. Organic matter extracted from marine sediments was separated into five fractions (hexane, hexane-benzene, benzene, benzene-methanol, asphaltenes) using solvents of increasing polarity. It has been shown that in the seep the destruction of asphaltenes fractions leads to enrichment of benzene-methanol fraction by isotope-light components. δ13C values of benzene-methanol fractions were much lower than δ13C values of asphaltenes fractions and were associated with the accumulation of bacterial biomass in the sediments core through which the upward methane flow was passed. The organic matter of seep area sediment cores can be classified by two clusters, according to δ13C values of benzene fractions of organic matter. The first cluster center was in the surface layer (about 10 cm) of marine sediments. The second cluster center was in a deeper sediment layer. The difference in carbon isotope composition between the cluster centers was 2–3 ‰. The use of carbon isotope type-curves for different horizons of a sediment core has enabled a better understanding of the biological effects related to upward gas migration in seep areas of the Arctic Seas.

About the authors

V. S. Sevastyanov

Vernadsky institute of geochemistry and analytical chemistry

Email: vsev@geokhi.ru
Kosygina, 19, Moscow, 119991 Russia

V. Y. Fedulova

Vernadsky institute of geochemistry and analytical chemistry

Email: vsev@geokhi.ru
Kosygina, 19, Moscow, 119991 Russia

O. V. Kuznetsova

Vernadsky institute of geochemistry and analytical chemistry

Email: vsev@geokhi.ru
Kosygina, 19, Moscow, 119991 Russia

N. V. Dushenko

Vernadsky institute of geochemistry and analytical chemistry

Email: vsev@geokhi.ru
Kosygina, 19, Moscow, 119991 Russia

V. S. Fedulov

Vernadsky institute of geochemistry and analytical chemistry

Email: vsev@geokhi.ru
Kosygina, 19, Moscow, 119991 Russia

A. E. Bazhanova

Center for petroleum science and engineering (CPSE), Skolkovo institute of science and technology (Skoltech)

Author for correspondence.
Email: vsev@geokhi.ru
Bolshoy Boulevard (Skolkovo innovation center), 30, bld. 1, Moscow, 121205 Russia

References

  1. Баранов Б.В., Лобковский Л.И., Дозорова К.А., Цуканов Н.В. (2019) Система разломов, контролирующих метановые сипы на шельфе моря Лаптевых. Доклады Академии наук. 486(3), 354–358. https://doi.org/10.31857/S0869-56524863354-358
  2. Ветров А.А., Семилетов И.П., Дударев О.В., Пересыпкин В.И., Чаркин А.Н. (2008) Исследование состава и генезиса органического вещества донных осадков Восточно-Сибирского моря. Геохимия. (2), 183–195.
  3. Vetrov A.A., Semiletov I.P., Dudarev O.V., Peresypkin V.I., Charkin A.N. (2008) Composition and genesis of the organic matter in the bottom sediments of the East Siberian Sea. Geochem. Int. 46(2), 156–167. https://doi.org/10.1134/S0016702908020055
  4. Галимов Э.М., Севастьянов В.С., Карпов Г.А., Камалеева А.И., Кузнецова О.В., Коноплева И.В., Власо- ва Л.Н. (2015) Углеводороды из вулканического района. Нефтепроявления в кальдере вулкана Узон на Камчатке. Геохимия. (12), 1059–1068.
  5. Galimov E.M., Sevastyanov V.S., Karpov G.A., Kamaleeva A.I., Kuznetsova O.V., Konopleva I.V., Vlasova L.N. (2015) Hydrocarbons from a volcanic area. Oil seeps in the Uzon caldera, Kamchatka. Geochem. Int. 53(12), 1019–1027. https://doi.org/10.1134/S0016702915120046
  6. Гринько А.А., Гончаров И.В., Шахова Н.Е., Густафссон О., Обласов Н.В., Романкевич Е.А., Зарубин А.Г., Кашапов Р.С., Гершелис Е.В., Дударев О.В., Мазу- ров А.К., Семилетов И.П., Черных Д.В. (2020) Характерные особенности молекулярного состава органического вещества осадков Моря Лаптевых в районах аномального выброса метана. Геология и геофизика. 61(4), 560–585.
  7. Петрова В.И., Батова Г.И., Куршева А.В., Литвиненко И.В. (2010) Геохимия органического вещества донных отложений Центрально-Арктических поднятий Северного Ледовитого океана. Геология и геофизика. 51(1), 113–125.
  8. Севастьянов В.С., Федулов В.С., Федулова В.Ю., Кузнецова О.В., Душенко Н.В., Наймушин С.Г., Стенников А.В., Кривенко А.П. (2019) Изотопно-геохимические исследования органического вещества морских осадков от дельты реки Индигирки до границы постоянных льдов в Восточно-Сибирском море. Геохимия. 64(5), 451–459.
  9. Sevastyanov V.S., Fedulov V.S., Fedulova V.Yu., Kuznetsova O.V., Dushenko N.V., Naimushin S.G., Stennikov A.V., Krivenko A.P. (2019) Isotopic and geochemical study of organic matter in marine sediments from the Indigirka delta to the ice shelf border of the East-Siberian Sea. Geochem. Int. 57(5), 489–498. https://doi.org/10.1134/S0016702919050100
  10. Севастьянов В.С., Федулова В.Ю., Стенников А.В., Кузнецова О.В., Наймушин С.Г., Душенко Н.В., Кривенко А.П. (2021) Особенности распределения газов в верхнем слое осадков в системе континентальный шельф моря Лаптевых – Ледовитый океан. Океанология. 61 (4), 472–487.
  11. Фрид А.М., Банникова Л.А. (1990) Влияние термического и окислительного воздействия на изотопный состав углерода фракций органического вещества (по экспериментальным данным). Геохимия. (6), 771–782.
  12. Frid A.M., Bannikova L.A. (1991) Effects of heat and oxidation on the carbon-isotope composition of organic-matter fractions. Geochem. Int. 28, 1–11.
  13. Baranov B., Galkin S., Vedenin A., Dozorova K., Gebruk A., Flint M. (2020) Methane seeps on the outer shelf of the Laptev Sea: characteristic features, structural control, and benthic fauna. Geo-Mar. Lett. 40, 541–557. https://doi.org/10.1007/s00367-020-00655-7
  14. Bindoff N.L., Cheung W.W.L., Kairo J.G. (2022) Changing Ocean, Marine Ecosystems, and Dependent Communities. The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate: Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Ed. by Portner H.-O., Roberts D.C., Masson-Delmotte V., Zhai P.) Cambridge University Press, Cambridge, 447–588. https://doi.org/10.1017/9781009157964.007
  15. Cheng L., Abraham J., Trenberth K.E., Fasullo J., Boyer T., Mann M.E., Zhu J., Wang F., Locarnini R., Li Y., Zhang B., Yu F., Wan L., Chen X., Feng L., Song X., Liu Y., Reseghetti F., Simoncelli S., Gouretski V., Chen G., Mishonov A., Reagan J., Li G. (2023) Another year of record heat for the oceans. Adv. Atmos. Sci. 40, 963–974. https://doi.org/10.1007/s00376-023-2385–2
  16. Chuang M., Riedinger N., Mogollуn J.M., Jorgen- sen B.B. (2018) Global diffusive fluxes of methane in marine sediments. Nature Geosci. 11, 421–425. https://doi.org/10.1038/s41561-018-0122–8
  17. Chuang P.-C., Yang T.F., Wallmann K., Matsumoto R., Hu C.-Y., Chen H.-W., Lin S., Sun C.-H., Li H.-C., Wang Y., Dale A.W. (2019) Carbon isotope exchange during anaerobic oxidation of methane (AOM) in sediments of the northeastern South China Sea. Geochim. Cosmochim. Acta. 246, 138–155. https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.11.003
  18. Derrien M., Jeanneau L., Jarde E., Hur J., Kim S. (2023) Exploration of changes in the chemical composition of sedimentary organic matter and the underlying processes during biodegradation through advanced analytical techniques. Environ. Chem. 20, 212–225. https://doi.org/10.1071/EN23083
  19. Douglas P.M.J., Stolper D.A., Smith D.A., Walter Anthony K.M., Paull C.K., Dallimore S., Wik M., Crill P.M., Winterdahl M., Eiler J.M., Sessions A.L. (2016) Diverse origins of Arctic and Subarctic methane point source emissions identified with multiply-substituted isotopologues. Geochim. Cosmochim. Acta. 188, 163–188. https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.05.031
  20. Drachev S.S., Savostin L.A., Grochev V.G., Bruni I.E. (1998) Structure and geology of the continental shelf of the Laptev Sea, Eastern Russian Arctic. Tectonophysics. 298, 357–393. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00159-0
  21. Galimov E.M. (1995) Fractionation of carbon isotopes on the way from living to fossil organic matter. Stable isotopes in the biosphere (Ed. by E. Wada, T. Yoneyama, M. Minagawa, T. Ando, B.D. Fry) Kyoto university press, Japan, 133–170.
  22. Galimov E.M. (2006) Isotope organic geochemistry. Org. Geochem. 37, 1200–1262. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2006.04.009
  23. Knies J., Nowacyk N., Muller C., Vogt C., Stein R. (2000) A multiproxy approach to reconstruct the environmental changes along the Eurasian continental margin over the last 150 000 years. Mar. Geol. 163, 317–344. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(99)00106-1
  24. Kravchishina M.D., Lein A.Yu., Flint M.V., Bara- nov B.V., Miroshnikov A.Yu., Dubinina E.O., Dara O.M., Boev A.G., Savvichev A.S. (2021) Methane-derived authigenic carbonates on the seafloor of the Laptev Sea shelf. Front. Mar. Sci. 8, 690304. https://doi.org/10.3389/fmars.2021.690304
  25. Kvamme B., Vasilev A. (2023) Danube Fan and Nyegga – the largest contrast European gas hydrate deposits for CO2 storing and CH4 and H2 production. Int. J. Greenh. Gas Control. 130, 104014. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2023.104014
  26. Lein A.Yu., Pimenov N.V., Galchenko V.F. (1997) Bacterial chemosynthesis and methanotrophy in the Manus and Lau basins ecosystems. Mar. Geol. 142, 47–56. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(97)00040-6
  27. Liu J., Liu Q., Zhu D., Meng Q., Huang X. (2019) The function and impact of deep fluid on the organic matter during the hydrogeneration and evolution process. Nat. Gas Geosci. 4, 231–244. https://doi.org/10.1016/ j.jnggs.2019.07.002
  28. Meister P., Reyes C. (2019) The carbon-isotope record of the sub-seafloor biosphere. Geosciences 9, 507. https://doi.org/10.3390/geosciences9120507
  29. Miller G.H., Brigham-Grette J., Alley R.B., Anderson L., Bauch H.A., Douglas M.S.V., Edwards M.E., Elias S.A., Finney B.P., Fitzpatrick J.J., Funder S.V., Herbert T.D., Hinzman L.D., Kaufman D.S., MacDonald G.M., Polyak L., Robock A., Serreze M.C., Smol J.P., Spielhagen R., White J.W.C., Wolfe A.P., Wolff E.W. (2010) Temperature and precipitation history of the Arctic. Quat. Sci. Rev. 29, 1679–1715. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2010.03.001
  30. Morimoto S., Goto D., Murayama S., Fujita R., Tohjima Y., Ishidoya S., Machida T., Inai Y., Patra P.K., Maksyutov S., Ito A., Aoki S. (2021) Spatio-temporal variations of the atmospheric greenhouse gases and their sources and sinks in the Arctic region. Polar Sci. 27, 100553. https://doi.org/10.1016/j.polar.2020.100553
  31. Pankratova N.V., Belikov I.B., Kopeikin V.M., Skoro-khod A.I., Shtabkin Yu.A., Malafeev G.V., Flint M.V. (2020) Concentration and isotopic composition of methane, associated gases, and black carbon over Russian Arctic seas (shipborne measurements). Mar. Chem. 60, 593–602. https://doi.org/10.1134/S0001437020050197
  32. Peng W., Zhang L., Tumiati S., Brovarone A.V., Hu H., Cai Y., Shen T. (2021) Abiotic methane generation through reduction of serpentinite-hosted dolomite: Implications for carbon mobility in subduction zones. Geochim. Cosmochim. Acta. 311, 119–140. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.07.033
  33. Pimenov N.V., Savvichev A.S., Rusanov I.I., Lein A.Yu., Ivanov M.V. (2000) Microbiological processes of the carbon and sulfur cycles at cold methane seeps of the North Atlantic. Microbiology. 69, 709–721. https://doi.org/10.1023/A:1026666527034
  34. Savvichev A.S., Rusanov I.I., Kadnikov V.V., Beletsky A.V., Zakcharova E.E., Samylina O.S., Sigalevich P.A., Semiletov I.P., Ravin N.V., Pimenov N.V. (2023) Biogeochemical activity of methane-related microbial communities in bottom sediments of cold seeps of the Laptev Sea. Microorganisms. 11, 250. https://doi.org/10.3390/microorganisms11020250
  35. Shakhova N., Semiletov I., Sergienko V., Lobkovsky L., Yusupov V., Salyuk A., Salomatin A., Chernykh D., Kosmach D., Panteleev G., Nicolsky D., Samarkin V., Joye S., Charkin A., Dudarev O., Meluzov A., Gustafs-son O. (2015) The East Siberian Arctic Shelf: towards further assessment of permafrost-related methane fluxes and role of sea ice. Phil. Trans. R. Soc. A. 373, 20140451. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0451
  36. Shindell D.T., Faluvegi G., Koch D.M., Schmidt G.A., Unger N., Bauer S.E. (2009) Improved attribution of climate forcing to emissions. Science. 326, 716–718. https://doi.org/10.1126/science.1174760
  37. Sparkes R.B., Selver A.D., Gustafsson Ö., Semiletov I.P., Haghipour N., Wacker L., Eglinton T.I., Talbot H.M., van Dongen B.E. (2016) Macromolecular composition of terrestrial and marine organic matter in sediments across the East Siberian Arctic shelf. The Cryosphere. 10, 2485–2500. https://doi.org/10.5194/tc-10-2485-2016
  38. Stein R., Boucsein B., Fahl K., Garcia de Oteyza T., Knies J., Niessen F. (2001) Accumulation of particulate organic carbon at the Eurasian continental margin during late Quaternary times: controlling mechanisms and paleoenvironmental significance. Glob. Planet. Change. 31, 87–104. https://doi.org/10.1016/S0921-8181(01)00114-X
  39. Vetrov A.A., Romankevich E.A. (2004) Carbon cycle in the Russian Arctic seas. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-06208-1
  40. Yu M., Eglinton T.I., Haghipour N., Montlucon D.B., Wacker L., Hou P., Ding Y., Zhao M. (2021) Contrasting fates of terrestrial organic carbon pools inmarginal sea sediments. Geochim. Cosmochim. Acta. 309, 16–30. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.06.018

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».